“三软”煤层中回采巷道支护技术研究

摘要： 针对三软煤层中回采巷道的实际变形问题，对其变形机理进行分析，从而得出控制巷道围岩变形的对策并对的巷道支护设计参数进行优化，以达到最小的支护成本取得良好的支护效果。

关键词： 回采巷道；三软煤层；锚杆支护；预紧力

中图分类号：TD82 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）19-0023-02

0 引言

支护设计是锚杆支护中的一项关键技术，对充分发挥锚杆支护的优越性和保证巷道安全具有十分重要的意义，如果支护形式和支护参数选择不合理，就会造成两个极端：其一是支护成本太高，不仅浪费支护材料，而且影响掘进速度；其二是支护强度不够，不能有效控制围岩变形，出现冒顶事故[1][2]，因此合理的支护设计在保证安全生产的前提下可以有效降低支护成本、提高掘进速度。

地质条件不同的矿井或矿区应该具有其特有的支护形式，以保证在一定经济条件下取得良好的支护效果。因此，有必要研究特有地质条件下井巷工程的支护技术，并对其进行推广。

1 回采巷道基本规格及围岩地质概况

清水营煤矿处于宁东鸳鸯湖矿区，地质条件复杂。二煤平均厚5.25m，倾角23～27°，皮带运输巷设计宽度5.0m，高度3.4m，回风巷设计宽度4.2m，高度3.4m，所有回采巷道上帮均破二煤底板（破底量平均1.2m）掘进。煤层顶板为砂岩含水层，岩石易软化，强度低、坚固性差，为不稳定性岩层，属易冒落的三类周期来压强烈顶板。二煤的物理特性为黑色、块状、半暗型煤、弱沥青光泽，节理及裂隙发育,煤质较软。底板以粗砂岩、泥岩为主并具有膨胀性。底板岩石中的主要矿物成份为伊利石、绿泥石和石英，岩石坚固性差，属软弱类底板。因此清水营煤矿二煤属典型 “三软”(顶软、底软和煤层软)煤层。

2 目前巷道的主要支护参数

以110204工作面皮带运输巷的支护参数为例进行简单说明，巷道采用圆弧拱断面，矢跨比约1:4，采用锚网带支护，顶板采用?准20×2500mm的左旋无纵筋锚杆支护，穹形托板采用Q235钢板制作，规格为150×150×10mm，每根锚杆采用2节MSK23/70的树脂药卷，锚杆间排距为800×800mm，钢筋网采用?准6.5mmQ235圆钢焊制，网目规格150×150mm，采用BHW－250－2.50型钢带，两帮采用K60-20的玻璃钢锚杆配合木托板、钢塑网进行支护，每根锚杆采用2节MSK23/70的树脂药卷，锚杆间排距800×800mm，锚固力要求不低于50KN。

3 锚杆支护在煤巷中出现的问题

在使用过程中巷道变形主要表现为：下肩窝掉包、脱层、钢带撕裂、个别铁托板变形、锚杆拔断，巷道上帮整体内敛，部分玻璃钢锚杆拉断，底臌等问题。

4 巷道变形的主要原因分析

4.1 客观因素 ①巷道围岩强度低、坚固性差，煤层松软，岩石遇水膨胀，抗风化能力低。②由于巷道下肩窝煤层较薄，顶锚杆导致顶板含水层通过煤层裂隙渗入煤层，弱化了巷道围岩强度。③巷道上帮内敛主要是由于上区段回采工作面采动影响所致。

4.2 主观因素 ①锚杆受力不均，在巷道的整体支护中，托板变形、杆体断裂的始终是个体。在锚杆安装初期，由于施工机具、操作等因素的影响，锚杆施加给围岩的力就表现为大小不一，造成巷道围岩变形、运动不均，从而引起锚杆受力不均，导致个别托板变形、杆体断裂。②在设计过程中没有明确锚杆支护的预紧力，在施工现场也忽视预紧力的作用，锚杆支护在实质上是一种被动支护。③部分组合构件的强度不满足巷道围岩变形的要求，比如部分托板变形、钢筋网及钢带撕裂。

5 回采巷道变形控制对策

5.1 提高锚杆的预紧及锚固力 锚杆安装之初对围岩的作用主要取决于锚杆预紧力的大小。当预紧力小于松脱岩体所受重力时，松动范围进一步发展，向上渐次松动，锚固区岩体逐渐破坏，产生裂隙，导致支护失效；当预紧力大于松脱岩体所受重力时，则克服了这个缺陷。因此，不仅强调支护材料本身的强度、锚杆与围岩的锚固强度，更应注意支护能够实现的初始支护力，即锚杆预紧力[2]，因为锚杆的预紧力是锚杆支护系统的关键参数，随着预紧力的增加，巷道围岩移近量即屈服范围均显著减小[3]，锚杆预紧力的大小严重影响锚杆的支护效果。但是偏激的强调锚杆预紧力而忽视锚杆预紧力与锚固力、杆体强度的关系，可能造成支护失效。在增大预紧力的同时，围岩向托板也施加一个相反的作用力，当反作用力大于围岩与锚固剂之间的黏结力或杆体强度，锚杆支护失效。而只有当反作用力小于等于围岩与锚固剂之间的黏结力（锚固力）或杆体强度时，即锚杆的预紧力达到整个支护系统允许的最大值。因此，在强调锚杆预紧力的同时，也不能忽视锚杆的锚固力及杆体的强度。

5.2 提高锚杆组合构件的强度 煤巷锚杆支护技术更多地强度了支护系统的强度，因此不允许任何构件的强度不满足使用要求，因此需要提高支护构件的整体强度，在一定范围内不允许出现钢筋网撕裂、钢带撕裂等现象。

5.3 确保顶板支护锚杆受力均匀 锚杆支护系统无论以悬吊理论还是组合梁理论分析都要求锚杆受力均匀。均匀的受力可以避免个别锚杆因受力集中而断裂，迫使应力传递给相邻的锚杆，最终导致整个支护系统失效。因此，保证锚杆受力均匀才能发挥良好的支护效果。

5.4 加强巷道两帮的支护 巷道支护更多的强调对顶板的支护，而忽视了增加煤帮的自身承载能力。通常认识巷道帮部的支护主要是用来控制和防止巷道片帮。但是实践证明对于水平地应力高的煤巷，加强巷道煤帮支护，提高巷道煤帮自身承载能力，在煤帮形成整体压缩墙，极大地提高巷道围岩稳定性，从而改变巷道围岩的应力分布，对控制巷道顶板起关键性的作用[3][4]。因此，在巷道支护过程中，重视煤帮支护的研究及加强煤帮支护对提高锚杆支护系统的强度有一定的意义。

5.5 对关键部位采取加强措施 巷道顶板淋水将造成巷道围岩弱化、泥化，造成巷道围岩强度降低，因此，在煤层顶板破碎区应根据实际情况进行喷浆封闭或注射博特威、玛丽散等充填材料进行有效的顶板控制，另外可在锚网支护的基础上进行补强支护，即通过增加锚杆梁或锚索梁以增强锚杆支护系统的整体强度，确保支护安全可靠。

6 支护参数优化

针对清水营煤矿回采巷道下肩窝变形、局部锚杆断裂的现状对支护设计进行以下优化：

①顶板采用?准20×2500mm的左旋无纵筋锚杆支护，穹形托板采用Q235钢板制作，规格150×150×10mm，每根锚杆采用2节MSK23/70的树脂药卷，锚杆间排距为800mm×800mm，包边钢筋网采用?准6.5mmQ235圆钢焊制，网目规格100×100mm，采用BHW－280－3.00型钢带，在巷道下肩窝沿走向每隔2m布置一组采用11＃矿用工字钢制作的锚杆梁，梁体长度3000mm，每根梁体上布置两根?准22×3000mm的高强锚杆。②帮部采用?准18×2100mm的圆钢锚杆配合木托板、钢塑网进行支护，每根锚杆采用2节MSK35/35的树脂药卷，锚杆间排距800×800mm。③预紧力及锚固力的要求：为保证锚杆受力均匀并达到一定的预紧力，在施工过程中采用预紧力扳手。其中，顶板锚杆的预紧力矩为200N.m，锚固力要求不低于70KN，帮部锚杆的预紧力矩为150N.m，锚固力要求不低于50KN。④及时喷浆封闭，为防止巷道围岩吸水膨胀，在巷道进行锚网支护后，尽快喷射一层50mm厚的混凝土以封闭巷道围岩，在巷道表面形成保护层。

参考文献：

[1]康红普，王金华等.媒巷锚杆支护理论与成套技术[M].北京：煤炭工业出版社，2007.

[2]葛妙英，刘利平等.高水平地应力媒巷的锚杆复合支护技术[J].煤炭科学技术，2007，（11）.

[3]高富强，王兴库.回采巷道锚杆支护参数敏感性正交试验分析[J].煤炭科学技术，2007，（11）.

[4]郝进海.复杂顶板回采巷道锚固理论及应用研究[M].北京：煤炭工业出版社，2007.