顶板砂岩含水“三软”破碎煤层小煤柱护巷技术研究

林 健，范明建，胡 滨，王海春，腾庆山

(1.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013;2.中国国电集团公司煤炭与化工管理部，北京100034;3.内蒙古平庄能源股份有限公司风水沟煤矿，内蒙古赤峰024081)

内蒙古平庄煤业集团风水沟煤矿是我国典型的软岩矿井之一，主采煤层顶底板岩层均属于软岩。其中，煤层顶板以砂岩为主，胶结性极差，揭露后往往形成流沙，单轴抗压强度在5MPa以下。煤层直接底以泥岩或泥质砂岩为主，含大量蒙脱石等，膨胀性强。在回采超前压力影响下，巷道出现大范围破坏，主要表现为围岩大范围整体移近，两帮移近量1m左右，尤为严重的是巷道出现严重的底鼓现象，底鼓量在1.5～2.0m左右，导致巷道大范围复修、起底，严重影响了回采工作面的正常生产。目前风水沟矿煤巷支护形式有金属棚支护、锚网支护及U型钢+锚网联合支护等多种形式，在治理底鼓方面还采取金属反拱等支护措施。但这些支护方式均未达到预期的效果，极软围岩条件下巷道支护问题仍未得到有效地解决。

本文采用岩性分析、地质力学现场测试、煤岩体可锚性试验、支护设计、矿压观测等综合手段，对风水沟煤矿顶板砂岩含水“三软”破碎煤层小煤柱护巷技术进行了综合研究，采用预应力全长锚固支护的方式成功支护了巷道［1］。

1 试验地点地质与生产条件

试验地点为风水沟煤矿5－1A西七片一分层回风巷。巷道埋深在421～435m左右。该巷道上帮临近5－1A西六片工作面采空区，煤柱尺寸为6～8m。本开采煤层为5－1A煤层，最大厚度5.6m，最小厚度为4.45m，平均煤厚4.5m。5－1A煤层结构复杂，有夹矸0～3层，夹矸单层厚度在0.01～0.36m之间，煤层层理发育，倾角6～14°，平均10°，重力密度12.84kN/m3。

5－1A煤层顶板主要为细砂岩，松散含水，易冒落。底板主要为细砂岩，砂岩胶结性差，松散含水。5－1A西六片一、二分层回采后采空区也会积水，预计积水量67200m3，工作面掘进时必须要先进行探放水，预计掘进时最大涌水量为20m3/h。

2 地质力学现场测试及岩性分析

2.1 地质力学现场测试［2］

2.1.1 钻孔窥视

为了解5－1A煤层顶板岩性及节理裂隙分布情况，在5－1A西七片一分层回风巷采用钻孔窥视仪对顶板进行了窥视。窥视结果显示:0～1.2m为煤，黑色，较破碎，0.8m处有50mm左右夹矸，局部裂隙发育，暗煤为主，局部夹亮煤。1.2～2.8m为泥岩，灰黑色，泥质胶结，局部有横向裂隙，1.5m处为破碎带，岩层完整性较差。2.8～21m为细砂岩，岩层胶结性较差，且岩内含有大量水分，灰白色到灰色，泥质胶结，离层发育，局部有泥岩夹层。

2.1.2 围岩强度测试

为了解5－1A西七片一分层回风巷顶板和两帮煤岩体强度，采用WQCZ－56型围岩强度测试装置对巷道煤帮孔10m范围内煤体和顶板以上10m范围内岩石进行岩体原位强度测试，测试结果如图1所示。

图1 巷道围岩强度测试曲线

从测试结果可以看出，5煤平均抗压强度为17.42MPa;泥岩平均抗压强度15MPa左右，顶板砂岩含水量较大，强度大部分集中在5～8MPa之间。

2.1.3 地应力测试

采用SYY－56型水压致裂地应力测量仪进行了地应力测量。测量结果为:最大水平主应力为8.25MPa，方向为N37.3°W;最小水平主应力为4.29MPa，垂直主应力为10.22MPa。

2.2 底板岩性分析

采用X射线衍射分析方法分别对5煤顶底板岩石进行了黏土矿物含量分析。分析结果显示，5煤底板泥岩黏土成分含量67.8%，其中蒙脱石绝对含量38.65%;5煤底板砂岩黏土成分含量30%，其中蒙脱石绝对含量9.3%;5煤顶板泥岩黏土成分含量38.5%，其中蒙脱石绝对含量26.56%;5煤顶板砂岩黏土成分含量35.5%，其中蒙脱石绝对含量18.11%。总体来说，泥岩中的黏土矿物成分含量普遍大于砂岩中的黏土矿物含量。

基于高岭石的遇水软化特性和蒙脱石的遇水强膨胀性可知，风水沟煤矿巷道围岩都有明显的遇水膨胀和遇水软化特性，通过围岩强度原位测试结果也可以验证该结论。根据现有研究资料，蒙脱石含量超过8%就对膨胀黏土的胀缩性产生很大影响，所以风水沟煤矿5煤顶底板均具有明显的遇水膨胀性，其中5煤底板泥岩遇水膨胀特性最明显。

3 煤岩体可锚性试验

强度低、胶结性差、可锚性差是软岩巷道围岩的基本特性。围岩的可锚性试验是巷道进行锚杆支护设计的基础工作，特别是对于高预应力强力锚杆锚索支护系统，围岩的可锚性是关系到锚杆支护是否成功的关键。根据岩性分析和地质力学测试结果推断，风水沟煤矿5煤煤岩体的可锚性较差。为了解顶板岩层和破碎煤体的可锚性，在进行支护设计前对风水沟煤矿5煤煤层和顶板分别进行了锚杆、锚索的可锚性试验。实验采用φ22mm，1×19股锚索和φ22mm，2400mm长左旋无纵筋螺纹钢锚杆。锚索锚固力试验结果表明，由于顶板砂岩含水，锚索孔在成孔后最大水量达到5.93×105mm3/min，采用6000mm长锚索锚固力达到200kN(设计预紧力)的仅占24%左右，无法保证锚索施工质量。而采用长度为4000mm的锚索，由于锚固在含水量较少的砂岩和泥岩中，锚固力基本上均可达200kN以上;小煤柱侧煤帮锚索锚固力仅达100kN左右，工作面侧煤帮锚索基本可达200kN;锚杆锚固力试验表明，除小煤柱侧底脚锚杆由于孔内有水流出，73kN就拉出外，其余锚杆均可达到锚杆的屈服载荷 129kN［3］。

4 支护理念

根据风水沟煤矿顶板砂岩含水“三软”破碎煤层小煤柱护巷条件，提出以下支护理念:

(1)自承拱理念 根据风水沟煤矿小煤柱护巷煤体松软破碎条件，在进行巷道断面形状选择时，在满足生产要求的前提下应优先考虑采用自稳能力、承载能力强的拱形断面，增加围岩自稳性。

(2)强力护表理念 松软破碎煤岩体采用锚杆支护时，锚杆间的煤岩体极易出现破碎，在巷道表面形成“网兜”现象，大大弱化了锚杆的支护效果。因此，在选择护表构件时，应选择刚度、护表面积大的构件，强化护表能力［4－5］。

(3)全长高预应力锚固理念 对于松散破碎煤岩体，不仅要限制煤岩体的离层、剪胀，更重要的是严格限制煤岩体的错动、滑移等结构失稳。因此，锚固系统不仅要实现较高的预应力，同时还要采取全长锚固的支护理念［1，4－6］。

(4)支护系统相互匹配理念 不匹配的支护系统易造成“多米诺骨牌”效应，最终导致整个支护的失败。因此，支护系统应在各方面达到合理匹配，包括各构件强度之间的匹配，预应力与锚固方式、锚杆与锚索强度的匹配，锚杆与锚索的匹配，锚杆预应力与锚索预应力的匹配等。

(5)锚固层位选择理念 煤系地层由于特殊的沉积环境，造成煤岩体分层明显，具有独特的层状结构，各层在强度、含水性、节理发育程度、弱化方式等方面差异显著。选择具有较好锚固性能的层位作为锚杆、锚索的锚固基点，是关系锚杆支护能否取得成功的关键之一。

5 巷道断面优化

风水沟煤矿回采巷道一般采用梯形断面，根据自承拱理念，本设计采用自稳能力、承载能力强的直墙半圆拱断面，2种断面的支护效果如图2所示。从图2中可以看出，在梯形断面的顶板两边压应力值较小，容易发生拉剪破坏。而拱形巷道在周边形成厚度均匀的压力区，基本无薄弱环节。考虑到掘进过程中设备尺寸、通风要求和巷道围岩变形预留量，设计风水沟煤矿5－1A西七一分层回风巷掘进断面尺寸:巷道断面呈直墙半圆拱形，宽3.8m，墙高1.2m，掘进断面积为10.23m2。

图2 2种巷道断面的承拱效果应力

6 支护设计方案

根据系统的测试和分析，确定风水沟煤矿5－1A西七片一分层回风巷采用树脂全长预应力锚固锚杆锚索组合支护系统进行支护。

6.1 锚杆支护

采用屈服强度为335MPa，杆体为22号左旋无纵筋螺纹钢筋，长度2.4m，杆尾螺纹为M24，螺纹长度150mm，配套高强锚杆螺母、高强托板调心球垫、尼龙垫圈、拱型高强度托盘。采用3支低黏度锚固剂全长预应力锚固，锚杆全部垂直岩面打设。采用W钢护板和钢筋网护顶护帮。锚杆排距900mm，每排11根，锚杆预紧力距不小于400N·m。

6.2 锚索支护

锚索采用φ22mm，1×19股高强度低松弛预应力钢绞线，长度4300mm，全长预应力锚固。先采用低黏度树脂药卷锚固，张拉后对剩余段注水泥浆锚固。锚索托盘采用300mm×300mm×16mm高强度可调心托板及配套锁具。每1800mm打3根锚索，锚索间距1275mm，垂直顶板岩层，锚索预紧力200～250kN。

5－1A西七一分层回风巷支护布置如图3所示。

图3 5－1A西七一分层回风巷支护

7 支护效果分析

在掘进期间，巷道表面位移在距迎头90～100m以后趋于稳定。巷道由掘进到稳定，两帮移近量最大值为75mm，为巷道初始宽度的1.97%。顶板下沉量最大值为140mm，底鼓量最大为40mm。

在回采期间，巷道底鼓显著，所有测点的平均底鼓量为719mm，最大底鼓量达到1167mm(5号测点)。在距工作面40～50m范围内，底鼓量增加速度明显加快。顶板下沉量相对较小，平均顶板下沉量为150.1mm，最大顶板下沉量为261mm，最小顶板下沉量为59mm。两帮移近均以煤柱侧帮的移近为主。煤柱侧帮最大移近量为850mm(5号测点)，最小移近量为15mm(1号测点)，平均移近量为388.9mm;工作面侧帮最大移近量为427mm(10号测点)，最小移近量为52mm(1号测点)，平均移近量为213.4mm。

巷道变形曲线见图4。

图4 回采期间巷道变形曲线

8 经济效益分析

风水沟煤矿5－1A西七片一分层工作面回风巷原支护采用锚杆锚索、架设工字钢棚联合支护，锚杆排距800mm，棚距1000mm。根据风水沟煤矿提供的材料计划价，原支护巷道支护材料费为2586.8元/m。采用高预紧力全长锚固锚杆锚索支护，巷道支护材料费为2170元/m，支护材料费用降低了416.701元/m，同时新的锚杆支护形式对锚杆的间排距进行了放大，提高了巷道掘进速度。

9 结论

(1)巷道围岩强度低、膨胀性黏土矿物含量高、顶板砂岩含水量大及小煤柱护巷是导致风水沟煤矿5－1A西七片一分层工作面回风巷变形严重，支护难度大的主要原因。

(2)针对顶板砂岩含水“三软”破碎煤层小煤柱护巷条件，提出了自承拱、强力护表、全长高预应力锚固、支护系统相互匹配及锚固层位选择等支护理念。

(3)采用预应力全长锚固锚杆支护系统，成功支护了顶板砂岩含水“三软”破碎煤层小煤柱护巷巷道。在回采期间，巷道煤柱侧帮平均移近量为388.9mm，顶板下沉量最大为261mm，基本杜绝了巷道维修，平均工作面推进速度达到7.5m/d。

(4)预应力全长锚固锚杆支护系统在顶板砂岩含水“三软”破碎煤层小煤柱护巷巷道中的成功应用，为我国软岩巷道支护提供了新的途径。

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

［2］康红普，林 健，张 晓.深部矿井地应力测量方法研究与应用 ［J］.岩石力学与工程学报，2007，26(5):929－933.

［3］胡 滨，康红普，林 健，等.风水沟矿软岩巷道顶板砂岩含水可锚性试验研究［J］.煤矿开采，2011，16(1).

［4］林 健.高强度高刚度强力锚固支护体系在深部高应力软岩巷道的应用研究 ［J］.煤矿开采，2006，11(6):59－62.

［5］林 健，范明建，司林坡，等.近距离采空区下松软破碎煤层巷道锚杆锚索支护技术研究［J］.煤矿开采，2010，15(4):45－62.

［6］康红普，王金华，林 健.煤矿巷道支护应用实例分析 ［J］.岩石力学与工程学报，2010，29(4):649－664.