新汶矿业集团（伊犁）能源开发有限责任公司一矿 新疆伊犁 835000
摘要：随着煤炭资源作为主要能源地位的不变，在很长时间内煤炭的需求量会保持不变。但是我国现有煤炭开采的实际情况是，浅层煤炭资源已经被开采殆尽，煤炭开采面由浅入深，开采技术难度越来越大，安全生产系数越来越小。厚煤层开采导致巷道周边岩体的应力明显增强，进而出现巷道的变形的情况。巷道的变形为矿井安全生产埋下隐患。所以要求我们必须加深对深部开采技术的的研究。
关键词：深部软岩；巷道支护；思考
1现今煤层深部软岩巷道支护技术现状和问题
不同开采条件的深部巷道在高应力作用下有其独特的破坏机理，采用通常的支护方法和手段，巷道支护效果条件差，巷道返修率高，永久性巷道支护后经常出现冒顶、片帮、底鼓等现象，需要多次维护与加固，维护工程量大，支护成本较高，巷道安全生产时刻受到严重的威胁。
深部巷道围岩的地质力学快速测试系统和高预应力、强力锚杆支护系统。这种支护系统是目前较为有效的一种支护系统。锚杆支护已经成为我国煤矿巷道首选的、安全高效的主要支护方式，显著提高了巷道支护效果，能够在安全的情况下保证采煤面快速推进，大幅促进煤炭产量的提高。锚杆支护只能对浅层煤矿巷道的变形起到防止变形的作用。在深部条件下，巷道围岩出现高地应力，尤其是受到水平构造应力的影响很大。许多在浅部煤层防治巷道变形的理论和支护手段都失效了。由于高地应力没有作用在煤层巷道的一个水平面上，导致地应力大小不均，深部围岩体现出非线性大变形的特点。由于深部复杂的地理环境导致深部巷道支护极其困难，厚煤层巷道变形益成为干扰井下正常安全生产的重大难题。深部高地应力岩巷矿压显现具有明显不同于浅部的特点，巷道围岩承载力、地应力、巷道原支护结构、松动圈及顶板应力集中导致软岩巷道诱发大变形，地压大，巷道维护困难成为突出问题。原有支护方式采用的锚杆支护材料强度与刚度小，预紧力低，初期锚固力低，支护效果差。在集中应力的作用下，巷道围岩发生较大的变形，尤其表现为顶底板移近量加大、锚杆、锚网拉断、两帮内挤、巷道肩部破碎。
2工程概况
林南仓矿-650m轨道石门巷道地表标高为+1.67～+5.3m，长度为2591m，石门起点位于12#煤层底板围岩，由暗立井口向东南方施工。石门开拓过程中穿越9#煤、8#煤等煤岩层的顶、底板，工程在到达盆底形状的地层中央后，将会从顶部到底部第2次穿越各个煤岩层位。石门施工324m后出现落差高度15m的F1导水断层，施工1340m后出现F15断层，落差高度17m，2条断层对石门施工具有一定影响。9#煤至8#煤间平12~平13测点附近，有2条相交的正断层，其中1条断层的倾向为340°、倾角为84°、落差为0.4~4.0m；另外1条断层的倾向为59°、倾角为45°、落差为3m。其中9#煤顶板至8#煤底板围岩受断层影响范围较大，存在小结构或裂隙发育，淋水量大且存在长期流变，围岩的矿物组成中矿物黏土含量高达55%~77%，其中蒙脱石含量占黏土矿物的80%~89%，且遇水易发生泥化和快速膨胀，属于困难岩层，9#煤、8#煤层及其顶、底板岩性如表1所示。
表1各层位岩性特征
3支护特点与方案设计
3.1支护形式特点
壁后充填能够有效地解决金属棚子受力不均的问题，防止棚架出现点线受力，实现均布受力，并使其达到围岩-充填物-支护结构共同受力的支护承载体系，使围岩的自承力得到有效的利用。对松动圈增大能实现很好的控制，提高巷道稳定性。该技术对于围岩泥化严重、原岩较破碎以致锚喷难以奏效的地段具有显著的效果。
反拱底梁+注浆加固在我国巷道支护中，常用的金属棚支架是底部开放的无底梁作为支撑，该种结构处于高地应力、软弱围岩的环境中，两帮底脚部位受剪力作用使金属棚脚向内移动，金属棚架顶部由于结构性弯曲亦出现损坏，支架的支护作用失效。应用反拱底梁配合锚索或长锚杆对金属棚架进行腿部加固，并且在喷射混凝土后及时有效的对壁后注浆充填，通过此举弥补了拱形棚的抵抗侧向压力低的不足，并且可有效控制棚脚及帮部的变形，提高顶、底部承载能力。
结合现场施工条件，确定采用反拱底梁+壁后充填+注浆加固支护方式对9#煤顶至8#煤受断层纵割影响较大且泥化严重的大变形强膨胀流变段，以及后续揭露的相似工程进行支护加固控制。
3.2支护参数设计
采用棚距600mm、断面13.36m2拱形29U金属支架，壁后充填厚度200mm，巷道顶部选用准20mm×2m的HR335右旋螺纹钢锚杆进行临时性护顶和永久性支护，其间排距为0.8m×0.6m，金属棚脚选用相同规格锚杆进行底脚锁腿，选用准15.24mm×5.3m的锚索配套0.4m×0.4m厚为14mm的托盘在围岩膨胀的地段对围岩进行补强支护；注浆锚杆采用准20mm×1.8m，间排距为1.5m×1.5m，选取水泥型号为P.O42.5，水灰比在0.7～1.1，注浆压力在1.5～2.5MPa。在底部设置2节式的反拱底梁，矢高为0.5～0.6m，底拱圆半径为6225mm，横向长为2.8m，搭接0.8m，选取3组双槽卡缆，在其端部焊接下限位卡缆板，通过上限位卡缆与棚腿搭接。
4数值模拟分析
4.1模型建立
计算机数值模拟既可以模拟围岩的力学特性，也可对巷道围岩稳定性进行分析，因此被广泛应用于采矿领域的安全性分析和支护优化。本次模拟采用FLAC3D数值模拟软件对9#煤至8#煤的大变形地段进行模拟，确定采用应变软化模型（MS）模拟围岩。根据壁后充填+反拱底梁+注浆支护的设计要求，结合锚杆或架棚的间排距状况，选用Cable结构单元对锚杆（索）进行模拟，金属棚选择beam结构单元进行分段连接，注浆加固选用扩散范围内参数定比强化进行模拟。
4.2模拟结果分析
本次对支架壁后充填+反拱底梁+注浆加固的支护方式进行了模拟，由图2（a）可知，壁后充填+帮腿补强支护中，塑性区的厚度在整个断面范围内厚度均匀，无塑性区扩大或延伸状况出现，在帮部及顶部塑性区厚度为2.38m，其长度较工程用锚杆大；其底部塑性区厚度为5.26m，由此可知支护对帮顶破碎围岩的控制效果远远强于底部，对于锚固范围之外的破碎区域应当足够重视；由图2（b）可知，架设反拱底封闭支架，进一步优化了支架受力结构，相对无底梁的图2（a），顶、底塑性区范围大大减小，表明铺设底梁对降低顶、底破碎区具有显著的作用。
（a）壁后充填无底拱
（b）壁后充填+反拱底梁
图2塑性区分布及锚杆索受力分布
结束语
本文通过对林南仓矿-650m轨道石门反拱底梁+壁后充填+注浆加固支护技术的深入研究，得出：
试验巷道在支护初期90d顶板最大变形量1000mm，局部最大变形量1200mm；两帮最大变形量200mm，局部最大变形量400mm；变形速度缓慢，在变形90d后巷道变形得到控制。该技术对于林南仓-650m轨道石门破碎困难围岩起到良好的控制作用，控顶、控底，帮部强化效果明显，对保障巷道的安全、高效生产需要起到了极其重要的作用，为同类巷道治理提供了参考。
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论文作者:王建伟
论文发表刊物:《基层建设》2018年第3期
论文发表时间:2018/5/28
标签：巷道论文; 围岩论文; 应力论文; 石门论文; 深部论文; 断层论文; 煤层论文; 《基层建设》2018年第3期论文;