三软煤层巷道工字钢棚联合支护技术探讨

陶 伟

（山西汾西矿业（集团）有限责任公司，山西 介休 032000）

三软煤层巷道支护一直是困扰煤矿安全生产的难题。软岩是非均质、非连续岩体，具有强度低、破裂不完整和易变形失稳的特性，造成巷道围岩变形大、支护损坏严重，致使工程成本高、工程进展缓慢[1-2]。以山西高阳煤矿3 号煤层运输大巷为工程背景，对三软煤层巷道支护技术进行研究。

1 工程地质条件

高阳煤矿3 号煤层结构简单，平均厚度6.5 m，平均倾角4°，抗压强度最大为21.2 MPa，最小为3.0 MPa，均值9.3 MPa。煤层顶底板为泥岩、砂质泥岩、砂岩，抗压强度均小于15 MPa，属极软岩。煤层顶底板岩性见表1。

表1 3 号煤层煤顶底板岩性表

2 三软巷道围岩变形破坏特征

（1）成巷初期来压快、变形量大，成巷后期巷道变形具有明显的蠕变特征[3-6]，巷道自稳能力差，采用单一的支护方式很难控制围岩的变形。

（2）巷道多承受非对称性环向压力，使得巷道顶板易冒落、底板易鼓起，尤其是巷道底鼓难以控制，进而造成巷道的两帮内挤、顶板冒落，最终使得巷道整体失稳。

（3）随着采深的增大，巷道围岩压力增大，巷道支护难度也随之增大，且巷道的变形具有明显的方向性。

（4）底板裂隙水会造成巷道底板泥岩遇水泥化、膨胀、强度降低，造成巷道底鼓[7-8]。

3 工字钢棚式支护设计

3.1 三软煤层巷道支护设计原则

（1）联合支护。针对成巷初期围岩来压快、形变量大，后期蠕变形变的特点，必须采用联合支护，才能有效控制巷道变形。

（2）二次支护。成巷初期首次支护关键是柔性让压，巷道一次支护采用“工字钢棚+挂网+一次喷浆”，可适应成巷初期巷道来压快、形变速度大的特点，尚未浇筑的巷道底板也可释放一定的变形能量。待巷道围岩压力充分释放、巷道围岩变形趋缓后，采用二次支护的方式，即巷道顶、帮采用“二次挂网+二次喷浆”、底板采用“工字钢底梁+钢筋+浇筑混凝土”的支护，对巷道全断面加强支护，形成高强度闭合支护结构体，进而控制巷道的蠕变变形。

（3）控制底鼓是重点。鉴于3 号煤层厚6.5 m，将巷道布置于相对较为坚硬的3 号煤层中，且巷道底板留一部分底煤，可规避底板泥岩遇水泥化的问题。同时，底板采用“工字钢底梁+钢筋网”强化支护，待底板浇筑混凝土后，巷道将形成整体封闭的高强度承载支护体。

3.2 三软煤层巷道围岩塑性圈

弹塑性理论认为，当巷道开挖引起的围岩应力重新分布超过了围岩的弹性极限强度，但未超过其极限强度时，围岩将发生塑性变形，进而在巷道周围形成塑性圈[9]。

已知3 号煤层主运大巷直墙半圆拱巷道外接圆半径R0=2.82 m，当量半径为：

式中：a为巷道理论半径，理论半径为2.72 m；K1为采动影响系数，取1.0；γ为上覆岩层体积力，取0.02 MN/m3；H为巷道埋深，取350 m；K2为煤岩体力学参数修正系数，取1/4.5；C为黏结力，根据岩石力学实验得出，取2.5 MPa；φ为内摩擦角，根据岩石力学实验，取为30°；Pi为支护阻力，取0.15 MPa；λ=（1-sinφ）/（2sinφ）。

由式（2）计算可知，3 号煤层主运大巷围岩塑性区半径R=5.14 m，则塑性区深入围岩深度△=Ra=2.42 m。

3.3 工字钢棚承载力检验

采用有限元分析软件ANSYS 模拟巷道等效节点载荷，假设巷道不产生纵向位移，且围岩载荷在巷道轴向方向对称分布，则该巷道轴力、弯矩模拟结果如下：

图1 巷道弯矩图和轴力图

由ANSYS 软件模拟可知，该支护结构最易破坏点为巷道帮部中央，该处弯矩最大，Mmax为5.8 kN·m，轴力Nmax为280.3 kN。

已知16#工字钢支架截面面积S为26.1 cm2，截面模量Wx为141 cm3，惯性矩Ix为1127.0 cm4，最大抗拉抗压应力为215 MPa，棚间距为0.7 m，当全部荷载作用在工字钢支架上时，支架截面上最大拉应力、压应力计算如下：

16#工字钢支架截面上最大拉应力为：

16#工字钢截面上最大压应力为：

从计算可知：若无冲击地压或遇地质构造带，选用棚排距为0.7 m 的16#工字钢棚柱腿、拱梁最大应力均小于工字钢棚的屈服强度，符合支护强度要求。

3.4 工字钢棚支护方案

3 号煤层运输大巷断面选用承载能力强的直墙半圆拱形，巷道净宽4.5 m，巷道净高3.45 m，净断面积13.35 m2，支护选用“工字钢棚+两次喷浆+底梁浇筑”联合支护方案。巷道的支护方式如图2，支护参数见表2。

图2 巷道支护断面图

表2 巷道支护参数表

4 矿压观测

采用“十字丝”法监测巷道表面位移变化情况，经连续观测30 d，巷道表面位移监测变形曲线如图3。

图3 巷道变形与时间关系图

巷道表面位移变形监测结果表明：成巷5 d 内巷道矿压显现明显，巷道顶板下沉、两帮内敛速度较快，顶板下沉量52 mm，两帮内敛合计50 mm；6～20 d 巷道围岩趋于稳定，表现为蠕变变形，巷道顶板下沉、两帮内敛平均速度小于0.5 mm/d；21 d后巷道几无变形。工程实践表明，“工字钢棚+喷浆+底梁浇筑”联合支护可有效控制三软煤层巷道围岩变形。

5 结语

3 号煤层运输大巷采用“工字钢棚+两次喷浆+底梁浇筑”联合支护方案，可有效控制软岩巷道围岩变形。但该支护方式因施工工序复杂、进尺较慢、造价较高，仅适用于主要巷道。