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第 3 期煤矿软岩治理技术研究王健，甄文（平凉五举煤业有限公司，甘肃 平凉744000）冶 金 与 材 料Metallurgy and materials第 44 卷 第 3 期2024 年 3 月Vol.44 No.3Mar.2024摘要：五举煤矿软岩巷道围岩应力大、遇水泥化、长期蠕变效应明显，从而引发巷道支护困难，快速底鼓，反复修复等诸多问题，严重制约了掘进效率，软岩巷道围岩支护具有多种变形力学机制的 并发症 和 综合症。五举煤矿软岩支护施工中针对不同岩性特征采取锚网索喷、架棚、注浆改性等支护措施，探索出一条可行有效的技术方案，对其他的软岩巷道支护有一定的指导和借鉴作用。关键词：软岩支护；底层关系；支护体系；矿压观测作者简介：王健（1984），男，甘肃平凉人，主要研究方向：采矿工程。1项目背景五举井田属华亭矿区赤城片区，设计生产能力 300万吨/年，属于低瓦斯矿井，各煤层均为类容易自燃煤层，矿井地质类型复杂，水文地质类型中等。矿井采用立井+暗斜井开拓方式。立井落底+600m 主水平，通过三条暗斜井延伸至+300m 辅助水平，每隔 50m 设一组区段石门开采两翼资源。1.1地层关系矿区地处六盘山东麓，大地构造位置处于鄂尔多斯盆地西缘断褶带的南端。井田范围内地表出露及钻孔揭露的地层由新到老有：第四系（Q），平均厚度为85.24m；新近系干河沟组（N2g），平均厚度为 76.16m，平均厚度 440.99m；中上侏罗统安定组（J2-3a），平均厚度151.89m（为第三隔水层）；中侏罗统直罗组（J2z），平均厚度为 189.48m；中侏罗统延安组（J2y），平均厚度为184.34m；下侏罗统富县组（J1f），平均厚度 20.77m；中上三叠统延长组（T2-3y），平均厚度大于 193m。1.2煤层及顶底煤（岩）性位于延安组中部第二段，距其上的煤 3-1 间距 1.0018.71m，平均 6.51m。距其下的煤 5-1 间距 8.6650.73m，平均 24.84m。1.2.1煤 3-2 顶板岩性主要为泥岩、砂质泥岩为主，局部有粉砂岩、泥质粉砂岩、细砂岩、中砂岩等，厚度在 1.5411.52m，顶板平均厚度为 5.60m，遇水变软，并具有一定的膨胀性。泥岩类：岩石饱和单轴抗压强度 8.6013.30MPa，平均为 10.95MPa，属软岩；岩石软化系数 0.33，密度 2.46，膨胀率 1.09，属软化岩石；砂岩类：岩石饱和单轴抗压强度 9.0618.60MPa，平均为 14.03MPa，属软岩-较软岩；岩石软化系数0.72，密度 2.58，属软化岩石；粉砂岩类：岩石饱和单轴抗压强度 0.9520.80MPa，平均为 8.94MPa，属极软岩-较软岩；岩石软化系数0.180.60，平均为 0.42，密度 2.64，属软化岩石。表 1煤 3-2 与上下煤层间距关系延安组第二段煤 3-1泥岩煤 3-2砂质泥岩煤 5-11.045.63.31.018.716.511.059.23.68.6650.7324.841.713.95.85黑色，半亮型煤，条痕黑褐色。沥青光泽，断口参差状，暗煤为主，夹亮煤条带及镜煤丝理。丝翼在层面较密集，条带状结构，层状构造。灰黑色，泥质结构，断口参差状，具滑面，中部夹菱铁矿结核，挤压严重，若芯破碎。黑色，半亮型煤，条痕黑褐色。沥青光泽，断口参差状，暗煤为主，夹亮煤采带及镜煤丝理。丝翼在层面富集，条带状结构，层状构造。深灰色，参差-平坦状断口。具滑面，夹粉砂岩薄层及条带，下部:深灰色，参差-平坦状断口，具滑面，夹泥岩薄层，挤压现象明显。黑色。半亮型煤，条痕黑褐色，沥青光泽，断口参差状，暗煤为主，次为亮煤。丝碳，镜煤，多呈条带状及透镜状，具内生裂隙，黄铁矿，条带状结构，层状构造、由东到西逐渐变厚。115冶金与材料第 44 卷1.2.2煤 3-2从实际揭露煤层情况结合地质资料分析：一采区煤 3-2 厚度为 1.059.2m，平均厚 3.6m。根据试验，煤 3-2 密度为 1.362g/cm-3，单轴抗压强度 9.50MPa、弹性模量 0.68GPa、单轴抗拉强度 1.01MPa、内聚力 2.83MPa、内摩擦角 34.6毅。1.2.3煤 3-2 底板岩性主要以泥岩、砂质泥岩为主，局部有粉砂岩、细砂岩、中砂岩、粗砂岩等。厚度在 0.5718.26m 之间，平均厚度为 5.45m，遇水变软，并具有一定的膨胀性。泥岩类：岩石饱和单轴抗压强度 3.7919.90MPa，平均为 13.00MPa，密度 2.64，膨胀率 0.2，属极软岩-较软岩。砂岩类：岩石饱和单轴抗压强度 7.3117.30MPa，平均为 12.58MPa，密度 2.58 属软岩-较软岩；岩石软化系数 0.190.43，平均为 0.29，属软化岩石。粉砂岩类：岩石饱和单轴抗压强度 6.2523.10MPa，平均为 12.75MPa，属软岩-较软岩；岩石软化系数 0.140.35，平均为 0.28，密度 2.63，属软化岩石。1.3地应力1.3.1+600m 水平区域最大垂直应力值为 15.924.54MPa，平均值20.22MPa。最大水平应力值为 14.4717.77MPa，平均值16.12MPa，方向为 N33毅W-N58毅W，与巷道夹角平均 8.5毅（16毅）。最 小 水 平 应力 值 为 8.6613.3MPa，平 均 值10.98MPa。1.3.2+300m 水平区域最大主应力为垂直应力，最大垂直应力值为24.3324.99MPa，平均值 24.66MPa。于最大水平应力值为 18.2418.25MPa，平均值为18.245MPa，方向为 N42毅W-N45毅W，与大巷平均夹角 85.5毅。最小水平应力值为 14.3715.08MPa，平均值14.725MPa。2支护体系2.1岩石巷道支护方案（1）巷道断面：采用半圆拱断面。巷道净宽 4.6m、墙高 1.5m、净高 3.7m。（2）支护形式：锚网索喷支护顶（帮）板锚杆排距：800伊800mm。顶板锚索间排距：1600伊1600mm，每排布置 5 条，顺巷道布置。（3）支护材料：顶（帮）板支护材料，采用 MSGLW-500/22伊2400mm 高强度螺纹钢锚杆；钢绞线：SKP-21.8/19伊7300mm 预应力钢绞线。（4）其他支护施工：架棚支护开门 5m 缩小排距，按要求搭设桁架梁，并采取架设 36U 型钢棚、单体液压支柱等复合支护措施。2.2顺槽巷道支护方案（1）断面（2）支护形式：锚网索（顶板初喷）支护顶板锚杆排距：800800（900）mm，胶带顺槽每排布置 7 根锚杆，回风顺槽每排布置 6 根锚杆。于顶板锚索间排距：1600伊800（900）/1200伊800（900）mm，每排布置 4 条。两帮锚杆间排距：800800（900）mm，每排布置5 根锚杆，个别超高段进行补打。（3）支护材料顶板支护材料顶板锚杆：顺槽使用 MSGLW-500/222800mm 高强度螺纹钢锚杆，W 型钢带。顶板钢绞线：使用 28.67300mm 锚索。顶板锚索钢带及托盘：为增加护表面积，使用 5200伊330伊5mm 的 M 型钢带（4 孔）、3600伊330伊5mm 的 M 型图 1 回风顺槽、胶带顺槽断面图116第 3 期钢带（4 孔）。两帮支护材料两帮锚杆：MSGLW-500/222400mm 高强度螺纹钢锚杆；两帮锚杆钢带：两条规格为 12002804mm 的 W型钢带，底角采用一条规格为 4002804mm 的 W 钢带托盘与 15015010mm 托盘联合使用。2.3特殊支护（1）初喷支护，在顺槽实施顶板初喷跟掘进迎头施工，初喷厚度 3050mm。（2）架棚支护，使用 29U 型钢棚对特殊区域地段进行加强支护。淋水、变形大、大跨度地段进行加强支护，其淋水地点全断面采用防腐材料支护。（3）单元支架复合支护，对于现场顶板发生变化需立即进行加强支护区域，使用单元支架进行临时性快速复合支护，达到顶板加固目的。（4）注浆改性，一是锚索顶板注浆加固。工作面回采期间，由于受工作面采动影响，局部顶板压力较大，对工作面两顺槽超前压力影响区域超前进行打设注浆锚索配合高凸 T 型钢带并注浆加固顶板，确保了工作面安全回采；二是锚注装置顶板注浆试验。因工作面煤层倾角 20毅耀41毅，平均 35毅，胶带顺槽顶板安装锚索锚注装置约 410m，回风顺槽安装锚索锚注装置约 720m。通过与普通的锚索配套使用，使普通的锚索实现注浆功能，既不破坏杆体强度，优于普通注浆锚索，又拓宽了普通锚索的适用范围，实现浅孔和深孔注浆功能及锚注一体化结合；三是锚索底板注浆试验。在顺槽选择底板相对完好区域进行底板注浆锚索加固试验，施工位置距工作面 150180m 范围使用 3.6m 锚索、180210m范围使用 5.8m 锚索。每个断面打设 3 条锚索进行注浆加固。通过观测分析，注浆后巷道两帮变形量在区间265mm，顶底板变形量在区间 452mm，取得一定的成效。以上注浆改性试验，矿井采用了矿用无机双组份速凝注浆材料、P.O42.5 普通硅酸盐水泥（99.1%）+WPKJ-4 微胀早强高强复合外加剂（水泥 0.9%）配制，水灰比0.3 及微纳米改性注浆材料等，系统分析了裂隙发育规律，确定了注浆时机（滞后迎头 7 天左右，约 2050m），对巷道顶板裂隙发育有改善。3支护效果3.1矿压观测5 条顺槽全长约 8550m，共安装 147 组顶板离层仪，78 组围岩变形观测；掘进期间共有 8 组顶板离层仪达到预警值，其中 4 组顶板离层仪达到临界值，均在回风顺槽，其中顶板最大下沉量约 363mm，底鼓量最大约819mm，两帮最大变形量约 518mm，在巷道揭煤点处现场已扩修并加强支护趋于稳定。首采面两顺槽共有 2 组顶板离层仪达到预警值，其中一组位于回风顺槽 1130m 位置，距工作面约 36m时，深基点离层量为 104mm，超过预警值 15mm，另一组位于胶带顺槽 1220m 位置，距工作面约 50m 时，深基点离层量为 114mm，超过预警值 35mm，通过采取支设单体液压支柱配合铰接顶梁或架棚加强支护，工作面已安全通过。针对超前支承应力监测分析，胶带顺槽中生产帮应力峰值在 5576kN 范围内，非生产帮应力峰值在105138kN 范围内，顶板应力峰值范围在 255280kN内；回风顺槽中生产帮应力峰值为 400kN，非生产帮应力峰值为 300kN，顶板应力峰值在 380400kN 范围内。工作面液压支架平均应力峰值为 42MPa，支架最高峰值为 43MPa，且在整个工作面应力分布较为平均。3.2钻孔窥视在回风顺槽工作面外 100m 处对顶板进行窥视，窥视深度 10m，每 5m 窥视一次。窥视孔顶板 25m 以下出现横向裂隙较多，裂隙高度约 0.03m0.05m，裂隙周围岩石破碎;顶板以上 58m 段相对较完整，810m 段岩体最为完整尚未出现明显裂隙。在胶带顺槽施工锚索锚注装置位置进行窥视，上覆围岩浅部破碎与裂隙较为普遍，主要集中在 2.0m 以内顶板；而深部除了有岩性的变化之外，并未发现明显破坏，同时观察到孔壁呈螺旋状以及局部出现破碎、脱落，表明深部岩层完整性更好，但强度偏弱。顶板孔孔壁未发现明显的浆液充填裂隙或破碎带情况，而注浆时漏失量较少，表明大部分浆液已注入顶板裂隙。3.3拉拔力试验开展不同区域锚杆拉拔试验 66 根，其中拉断锚杆60 根，拉脱锚杆 6 根。锚杆拉拔试验合格率为 91%，拉脱率为 9%，锚杆拉拔力破断力在 236290kN 之间，拉伸长度 220230mm，综合上述采用 MSGLW-500 型高强锚杆配合 2 支 MSK2335 和 1 支 MSZ2360 锚固剂满足锚杆锚固力 190kN 设计要求。开展不同区域锚索拉拔试验 37 根，其中拉断和正常锚索 23 根，拉脱锚索 14 根。锚索拉拔试验合格率为62%，拉脱率 38%，锚索拉拔力破断力在 455583kN 之间，拉伸长度 65480mm，综合上述采用 21.8伊7300mm型锚索配合 1 支 MSK2335 和 3 支 MSZ2360 锚固剂满足锚索锚固力 220kN 设计要求。参考文献1 方新秋，何杰，何加省.深部高应力软岩动压巷道加固技术研究 J.岩土力学，2009，30（6）：1693-1698.2 周恒，漆泰岳，肖锋，等.软岩巷道高强锚杆辅助锚注支护机理及应用 J.采矿与安全工程学报，2006，23（3）：346-349.王健等：煤矿软岩治理技术研究117