云南高峰煤矿三软煤层回采巷道支护方式

云南高峰煤矿三软煤层回采巷道支护方式

吴德刚

四川省天全县天民昂州煤炭有限公司昂州煤矿北矿

由于三软煤层煤层及围岩岩性软弱，顶底板稳定性较差，顶板下沉量较大，底鼓现象比较严重，巷道维护困难，特别是三软厚煤层全煤巷道。除了顶底板变形严重以外，巷帮受到垂直应力影响，变得破碎且易剥落，常规的支护方式难以满足巷道稳定性要求，回采巷道支护问题一直是困扰煤矿开采的瓶颈。因此，本文以云南高峰煤矿11201工作面为工程研究对象，研究三软厚煤层回采巷道的合理支护方式。

一、工程背景

高峰煤矿11201 工作面开采煤层为K1煤层，顶底板岩性较差，顶板较为破碎，巷道施工过程中地应力显现较为明显。取样及岩石力学试验分析结果表明，11201工作面煤层较软，巷道顶底板岩性较差，且含有膨胀性较大的泥岩。巷道围岩应力较大，围岩稳定程度为Ⅳ类不稳定围岩，属典型的三软煤层。前期采用U型拱缩棚架棚支护，巷道变形量大，顶梁压弯、受挤压、卡缆压崩、棚腿倾斜及底鼓现象尤为突出，巷道稳定性较差，不仅影响巷道的施工速度及施工安全，同时极大地影响回采时巷道的使用安全。因此研究该矿11201工作面回采巷道的支护方式，控制巷道变形量，加快巷道施工速度，降低巷道支护综合成本对于该矿来说意义特别重大。

二、三软回采巷道支护方式论文

1、理论分析

11201回采工作面巷道围岩为典型的三软煤岩层，在原有支护条件下，根据现场检测分析，由于顶板岩层松软破碎，其松散应力经巷道顶板传到巷帮，再经巷帮传给底板。若底板不采取措施，则在巷道顶板下沉的同时，出现底鼓现象。因此该类围岩条件下巷道支护的关键是围岩稳定性的综合控制，使巷道顶、帮、底板的支护形成一个整体。为此，综合考虑，我们提出了采用锚杆（索）网+U型钢联合支护方式，来控制巷道顶底板及两帮变形量，必要时在U型钢下加点柱提高支护强度，同时采用“松帮卸压”措施控制巷道两帮变形。

2、数值模拟分析

依据 11201 工作面地质条件及岩石力学参数试验，模拟11201工作面运输平巷分别在无支护与采用上述联合支护条件下巷道围岩的位移、应力分布及围岩塑性区大小等情况。其中K1煤层埋深约520m，上边界施加的自重应力约14.5Mpa，底边界及左右边界为固定约束，上边界施加自重应力。数值模拟有、无支护条件下，回采巷道位移分布、应力分布及塑性区分布。

数值模拟结果显示，无支护条件下巷道底鼓量最大值为299mm，顶板下沉量最大值为159mm；在采用联合支护后，巷道附近及深部围岩位移量大大减小，底板位移最大值为85mm左右，顶板则只有48mm左右。说明支护结构改变了巷道围岩的受力状态，提高了围岩的强度。

无支护时，水平应力在距巷道顶板5m处以及距底板6m处出现应力集中，水平应力最大值顶底板相差不大，约为29Mpa，集中系数为1.87；支护后，不同位置巷道附近及深部围岩水平应力分布均匀，应力集中的范围有明显缩小，顶板减小到1.55m左右，底板减小到 4.2m 左右，水平应力最大值为 19Mpa，集中系数为1.05。说明支护使巷道围岩受力比较均匀，支护结构作用比较明显，提高了围岩进入塑性变形以后的剩余强度，大大降低了围岩深部水平集中应力。无支护时，垂直应力在距巷道两帮7.8m处出现应力集中，垂直应力最大值为24Mpa，集中系数为1.41；在采用联合支护后，不同位置巷道附近及深部围岩垂直应力等值线分布均匀，垂直应力最大值为18.5Mpa，集中系数为1.17。说明支护结构降低了围岩深部集中应力。

巷道围岩塑性区大小是影响其稳定性的重要因素，塑性区是巷道在开挖以后，围岩运移及应力重新分布的最终也是最直接的反映。无支护时，塑性区范围顶底板大于两帮，顶板的受拉单元范围依次增大，距巷道顶板的距离为1.5m。当有支护结构存在时，巷道塑性区范围大大减小，巷道顶板几乎没有受拉单元，说明支护结构使围岩的强度得到了提高，减少了巷道表面和深部围岩向开挖空间的运移。

三、现场应用及观测

根据上述分析，在 11201 工作面运输平巷应用联合支护方案，在运输平巷内共布置 5 个测站，测站间距为10m，采用十字交叉法进行了巷道两帮移近量及顶板移近量的观测。

五个测站在前三天巷道间距变化量不大，稳定变形，第4-6天巷道变形量变大，第6天后变形减缓。第 3 测站在第 4 天变形量突增，考虑与施工有关。总体上讲，从第6天以后巷道变形稳定，变形量均小于 10mm/d。在支护后 6 天内巷道顶板下沉速率比较大，从第7天以后巷道顶板下沉速率减小，巷道稳定变形且变形量很小。采用U型钢、锚杆（索）网联合支护后巷道总体变形得到很大的控制，支护效果明显，说明这种支护方式是合理的。

四、结语

三软煤层回采巷道采用传统的锚杆支护时，由于围岩松软破碎、强度较低、易变形破坏，锚固剂与钻孔壁的黏结力很低，锚杆支护效果不理想，因此应采用主被动联合支护方式来改变围岩的应力分布。通过上述分析，针对三软煤层采用U型钢+锚杆（索）+金属网联合支护的方式，可有效控制回采巷道围岩的稳定性，保障回采巷道的安全，实现快速掘进。不当之处，希望大家指点。