付建華，王登科，王建偉，魏 強(qiáng)，曾凡超

(1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.鄭州煤炭工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450000)

目前鄭州礦區(qū)開(kāi)采主要集中在新鄭煤田、新密煤田和登封煤田，開(kāi)采煤層為二1煤。礦區(qū)內(nèi)煤層煤體硬度系數(shù)處于0.08～0.3之間，煤層起伏大，煤層厚度從0到37m不等，煤層頂?shù)装宥酁閺?qiáng)度較低的泥巖類軟巖，屬典型的“三軟”不穩(wěn)定煤層[1，2]。

以往鄭州礦區(qū)煤巷支護(hù)采用29U和36U型鋼支護(hù)，并使用礦用工字鋼沿巷道走向進(jìn)行連鎖，以提高支護(hù)的整體性，但在構(gòu)造和采動(dòng)應(yīng)力疊加作用下，傳統(tǒng)的型鋼支護(hù)難以有效控制回采巷道的強(qiáng)烈變形，巷道需要反復(fù)擴(kuò)修，才能滿足使用要求。礦井普遍面臨型鋼投入量大、復(fù)用率低和工作面端頭替棚擴(kuò)修制約礦井高產(chǎn)高效等技術(shù)問(wèn)題，因此亟需探索一條能夠有效解決“三軟”不穩(wěn)定煤層煤巷圍巖控制難題的途徑。

國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)“三軟”煤巷支護(hù)問(wèn)題開(kāi)展了研究工作：康紅普[3]研究了煤巷錨網(wǎng)支護(hù)成套技術(shù)；張農(nóng)[4]提出煤巷高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)；尹光志等[5]探討了軟巖巷道的最佳支護(hù)時(shí)間；荊升國(guó)等[6]闡述了滑動(dòng)構(gòu)造區(qū)煤巷的變形破壞機(jī)制；郭濤等[7]研究了平均厚度3.88m的“三軟”煤層錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)；付建華等[8]研究了“三軟”煤層窄煤柱沿空掘巷錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)；周煒光等[9]研究了富水條件下“三軟”煤層錨網(wǎng)參數(shù)；孫志海等[10]研究了趙家寨“三軟”煤層沿空掘巷技術(shù)；李琰慶等[11]通過(guò)研究淮南礦區(qū)煤巷支護(hù)難題，提出強(qiáng)化表面支護(hù)協(xié)調(diào)變形、補(bǔ)強(qiáng)短板形成支護(hù)整體的煤巷支護(hù)方法，取得了大量的研究成果。國(guó)內(nèi)許多礦區(qū)已經(jīng)廣泛普及煤巷錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)，但鄭州礦區(qū)特厚煤層托頂煤煤巷錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)難題始終沒(méi)有得到徹底解決，限制了該技術(shù)在鄭州礦區(qū)的推廣應(yīng)用，導(dǎo)致礦區(qū)內(nèi)煤巷一直沿用U型鋼和工字鋼支護(hù)。

1 “三軟”煤層賦存特征及成因分析

1.1 煤層賦存特征

1.1.1 “三軟”煤層

鄭州礦區(qū)主采二1煤層呈粉末狀，層理十分紊亂，煤的原生塊狀結(jié)構(gòu)被完全破壞，說(shuō)明二1煤層曾經(jīng)受到過(guò)強(qiáng)烈的擠壓和搓揉作用，導(dǎo)致與正常原始煤層相比，礦區(qū)二1煤的光澤變暗，硬度變小。

二1煤層偽頂為炭質(zhì)泥巖，直接頂多為砂質(zhì)泥巖，巷道頂板極不穩(wěn)定，巷道開(kāi)完出來(lái)之后，如不及時(shí)支護(hù)，巷道頂板會(huì)自然跨落，自穩(wěn)時(shí)間非常短。二1煤層底板主要為泥巖和砂質(zhì)泥巖，該類軟巖遇水泥化膨脹，容易造成巷道底鼓。

1.1.2 煤厚變化大

鄭州礦區(qū)生產(chǎn)礦井中煤層頂?shù)装宄尸F(xiàn)單一隆凹、分別隆凹或同時(shí)隆凹等幾種變形現(xiàn)象，局部區(qū)域煤層時(shí)有時(shí)無(wú)，呈雞窩狀。薄煤區(qū)與厚煤區(qū)接觸帶以突變?yōu)橹?，即薄則不可采的無(wú)煤(薄煤)區(qū)突變?yōu)檫_(dá)平均煤厚的3倍以上的厚煤區(qū)(15m以上)，無(wú)煤帶邊緣極不規(guī)則，呈港灣狀。

1.2 成因分析

鄭州礦區(qū)所采煤層隸屬于豫西煤層，豫西地處華北盆地西南邊緣，煤層經(jīng)歷了印支、燕山、喜馬拉雅等一系列構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，構(gòu)造形成過(guò)程中地層表面受到剪切平移運(yùn)動(dòng)，使地殼深處產(chǎn)生多個(gè)滑動(dòng)面。在眾多地層中二1煤層具有一定厚度，相對(duì)松軟和光滑，是最容易發(fā)生滑動(dòng)的層位，因此成為滑動(dòng)構(gòu)造形成的首選層位[12]。

歷次大型構(gòu)造運(yùn)動(dòng)均沿二1煤層相對(duì)滑動(dòng)，致使地層強(qiáng)烈變形產(chǎn)生斷層和褶曲等地質(zhì)構(gòu)造過(guò)程中，二1煤層發(fā)生強(qiáng)烈的塑性流動(dòng)變形，將原生塊狀煤層破壞成鱗片狀、碎粒狀和糜棱狀的構(gòu)造軟煤，煤層厚度也發(fā)生巨大變化。同時(shí)，滑動(dòng)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成煤層頂?shù)装逡彩艿綇?qiáng)烈破壞，巷道頂?shù)装宀粌H強(qiáng)度低而且破裂、不完整，給礦井巷道支護(hù)帶來(lái)了極大的困難。

2 三軟煤巷支護(hù)對(duì)策研究

2.1 失穩(wěn)因素分析

結(jié)合鄭州礦區(qū)地質(zhì)采礦條件，造成煤巷支護(hù)失穩(wěn)的原因主要有以下兩方面因素：

2.1.1 地質(zhì)因素

二1煤層是鄭州礦區(qū)歷次重力滑動(dòng)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的主要滑動(dòng)面?；瑒?dòng)構(gòu)造區(qū)煤層內(nèi)部滑面叢生，煤體粘聚力降低，具有低強(qiáng)度、大變形的力學(xué)特性，造成松散破碎的煤體具有極強(qiáng)的流變特性。

鄭州礦區(qū)二1煤層直接頂?shù)装鍨槟鄮r、砂質(zhì)泥巖，泥巖類頂?shù)装遄猿休d能力差，又難與支護(hù)材料組合形成一個(gè)穩(wěn)定、高強(qiáng)的共同承載結(jié)構(gòu)。同時(shí)，鄭州礦區(qū)二1煤層的直接頂和基本頂為高強(qiáng)度砂巖，在工作面采動(dòng)應(yīng)力的傳導(dǎo)過(guò)程中，積聚在頂板堅(jiān)硬巖層內(nèi)的能量，隨著基本頂?shù)臄嗔讯眲♂尫?，誘導(dǎo)二1煤層流變。礦區(qū)煤系地層情況如圖1所示。

圖1 礦區(qū)煤系地層綜合柱狀圖

煤巷主體工程位于斷層群內(nèi)，巷道開(kāi)挖后將破壞地層原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)，滑動(dòng)構(gòu)造產(chǎn)生的構(gòu)造應(yīng)力非常大，使巷道不僅承受大埋深的垂直應(yīng)力作用，還受到極為復(fù)雜的構(gòu)造應(yīng)力影響。

2.1.2 支護(hù)因素

U型鋼屬于被動(dòng)支護(hù)，支護(hù)初期支架對(duì)周圍煤體支護(hù)阻力較低，甚至為零，無(wú)法給圍巖施加初始預(yù)應(yīng)力，致使巷道表面煤體離層、破裂，進(jìn)而誘導(dǎo)深部煤體變形。支護(hù)中后期，隨著煤體變形壓力的增大，U型鋼支架不斷收縮讓壓，進(jìn)一步促進(jìn)煤體向巷道內(nèi)擠壓流變，造成巷道頂板離層和表面位移量增加。

2.2 基于組合拱梁的錨桿支護(hù)作用分析

相較于被動(dòng)的型鋼支護(hù)，錨桿(索)可以充分發(fā)揮其積極主動(dòng)的支護(hù)作用，可使煤巷層狀頂板形成整體性較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)，稱為組合拱梁結(jié)構(gòu)。為了進(jìn)一步分析錨桿支護(hù)在維護(hù)圍巖穩(wěn)定發(fā)揮的作用，基于組合拱梁理論，在一定假設(shè)基礎(chǔ)上建立了錨桿支護(hù)作用下的層狀頂板力學(xué)分析模型[13]，如圖2所示。

圖2 三軟煤巷組合拱梁模型

組合拱梁整體受力分析模型如圖2(a)所示，由于模型的對(duì)稱性，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將對(duì)模型左半部分進(jìn)行受力分析。巖層厚度為t，q為錨固層上方巖層對(duì)錨固層作用力qn以及錨固層中厚度小于150mm分層自重之和，q=qn+(1-α)lγ，α為頂板巖層完整性系數(shù)，l、γ分別為錨固層厚度與煤(巖)層容重，Ri、Pi2分別為錨固層兩側(cè)巖體對(duì)錨固層作用力。

通過(guò)對(duì)第i層煤(巖)進(jìn)行受力分析如圖2(b)所示，Pi為跨中拱鉸處擠壓力，可建立力學(xué)平衡方程[4]：

式中，S、f分別表示巷道跨度與巖層間的摩擦系數(shù)；qi1，qi2分別為第i層煤巖塊體受上下部巖層的垂直載荷，MPa。

對(duì)上式進(jìn)行求解可得到P2在巖層中的平均應(yīng)力：

式中，αz為力臂系數(shù)。

由式(2)可知，煤(巖)層的平均應(yīng)力主要與上方巖層載荷、巷道跨度、巖層厚度、錨固層厚度有關(guān)。將式(2)進(jìn)一步變換可得：

綜上，鄭州礦區(qū)“三軟”煤層煤體流變的關(guān)鍵在于支護(hù)必須給予圍巖足夠的初始阻力，抑制巷道淺部煤體的離層、破裂，控制煤體內(nèi)流變空間的擴(kuò)展。因此，以預(yù)應(yīng)力錨桿(索)為主的錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)符合這一技術(shù)要求[14-16]，對(duì)于降低頂板煤(巖)層載荷，改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)可發(fā)揮良好效果。

3 三軟煤巷錨網(wǎng)支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)

近年來(lái)，鄭煤集團(tuán)深入開(kāi)展了大量三軟煤巷錨網(wǎng)支護(hù)的試驗(yàn)研究工作[10-13]，取得了一些關(guān)鍵技術(shù)突破。結(jié)合鄭州礦區(qū)煤層賦存條件和現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)踐，“三軟”煤層錨網(wǎng)支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)歸結(jié)為支護(hù)技術(shù)參數(shù)和施工技術(shù)。

3.1 支護(hù)技術(shù)參數(shù)

除鉆頭直徑、樹(shù)脂藥卷直徑和錨桿桿體直徑保持合理的“三徑”匹配外，“三軟”煤層煤巷錨網(wǎng)支護(hù)關(guān)鍵支護(hù)技術(shù)參數(shù)如下：

3.1.1 煤層錨固性能

錨桿錨固力是檢測(cè)錨桿可錨性的重要手段，也是檢查錨桿施工質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)。以往礦井采用右旋錨桿，錨桿的錨固力和拉拔力均較低，錨固效果差。為改善這一狀況，礦井引進(jìn)左旋無(wú)縱筋高強(qiáng)度錨桿，左旋錨桿攪拌過(guò)程中桿體螺紋將錨固劑推入孔底，越攪越密實(shí)，提高了錨固劑的有效端頭錨固長(zhǎng)度，錨固效果較于右旋錨桿有了較大的改善，保證了錨網(wǎng)支護(hù)的整體強(qiáng)度。

鄭州礦區(qū)煤巷錨桿拉拔試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)采用規(guī)格?20mm×2400mm左旋錨桿配合兩支樹(shù)脂錨固劑(K2350 和Z2350各一支)時(shí)，左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿的有效錨固長(zhǎng)度達(dá)到0.74m以上，錨桿拉拔力能夠達(dá)到50kN以上，二1煤層的錨固性能得到保證。

3.1.2 錨桿預(yù)緊力

錨桿的安裝預(yù)緊力是錨桿支護(hù)承載結(jié)構(gòu)能否形成的關(guān)鍵。對(duì)“三軟”煤層而言，錨桿支護(hù)初期提供較高的初始預(yù)緊力，有助于形成穩(wěn)定可靠的支護(hù)承載結(jié)構(gòu)，抑制煤體的離層、破壞。根據(jù)已有研究成果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐[7]，煤層中錨桿預(yù)緊力矩不應(yīng)小于200N·m，巖層中錨桿預(yù)緊力矩不應(yīng)小于260N·m。

3.1.3 護(hù)表強(qiáng)度

由于二1煤層極為松散，采用普通金屬鐵絲網(wǎng)時(shí)不僅容易產(chǎn)生網(wǎng)兜，而且隨著網(wǎng)兜變大、破壞，錨桿載荷不斷降低，錨網(wǎng)支護(hù)體系逐漸被破壞，因此，必須提高煤巷錨網(wǎng)支護(hù)的護(hù)表強(qiáng)度，同時(shí)防止松散煤體流變。

3.2 施工技術(shù)

3.2.1 快速安裝工藝

永久支護(hù)錨桿的施工采用快速安裝工藝，實(shí)現(xiàn)打眼和錨桿安裝一次完成，減少頂板空錨時(shí)間。快速安裝工藝技術(shù)核心在于快速安裝螺母，快速安裝螺母不同于普通螺母，它在螺母外端裝有金屬封板，在金屬封板未被頂破前螺母不能旋轉(zhuǎn)，通過(guò)錨桿鉆機(jī)的帶動(dòng)可實(shí)現(xiàn)錨桿的快速安裝攪拌，錨桿錨固凝膠后鉆機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，頂開(kāi)封板，使螺帽達(dá)到規(guī)定扭矩。據(jù)統(tǒng)計(jì)，快速安裝工藝可將錨桿施工速度提高1/3以上，施工效率的提高，為煤巷錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)的全面推廣創(chuàng)造了條件。

3.2.2 及時(shí)支護(hù)

鄭州礦區(qū)二1煤層頂板極不穩(wěn)定，自穩(wěn)時(shí)間只有幾分鐘，甚至出現(xiàn)隨掘隨冒現(xiàn)象，因此巷道開(kāi)挖后，停止一切與頂板支護(hù)無(wú)關(guān)的工作，第一時(shí)間采用短錨桿或者玻璃鋼單體柱對(duì)巷道頂板進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，進(jìn)而按照先頂后幫的順序進(jìn)行永久支護(hù)。

4 工程實(shí)例

4.1 錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)方案

鄭煤集團(tuán)超化煤礦22011A運(yùn)輸巷標(biāo)高-112.2～-80.5m，埋深295.7～285.3m，平均埋深約290m；煤層厚度6～19m，平均厚度達(dá)到9m，22011A運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)沿底板掘進(jìn)，開(kāi)展三軟特厚煤層煤巷錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)方案設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。

超化煤礦22011A運(yùn)輸巷錨網(wǎng)支護(hù)設(shè)計(jì)如圖3所示，巷道采用矩形斷面，斷面尺寸為4.8m×3.0m。頂幫均采用?20mm×2400mm左旋無(wú)縱筋高強(qiáng)度(KMG335)錨桿，頂錨桿間排距750mm×800mm，幫錨桿間排距800mm×800mm。錨桿采用快速安裝螺母配合減摩墊圈使用，錨桿托盤為蝶形托盤，規(guī)格為140mm×140mm×10mm。

圖3 22011A運(yùn)輸巷錨網(wǎng)支護(hù)設(shè)計(jì)(mm)

頂板錨索采用“3-2-3”布置方式，錨索規(guī)格為?18.9mm×8250mm，錨索排距1600mm，使用2支Z2350和1支K2350共3支樹(shù)脂錨固劑錨固，錨索托盤不小于300mm×300mm×10mm(可使用廢舊36U型鋼加工)，錨索預(yù)緊力不小于100kN。

采用“?6mm鋼筋網(wǎng)+網(wǎng)孔尺寸不大于60mm×60mm黑色硬質(zhì)塑料網(wǎng)形成的雙層網(wǎng)配合?14mm鋼筋體梯子梁強(qiáng)力護(hù)表，巷道表面網(wǎng)與網(wǎng)搭接長(zhǎng)度不小于100mm，鋼筋網(wǎng)與硬質(zhì)塑料網(wǎng)使用14#以上雙股鐵絲聯(lián)網(wǎng)，防止粉煤漏失，有效控制煤體流變。

4.2 支護(hù)效果評(píng)價(jià)

4.2.1 礦壓觀測(cè)方法

采用十字布點(diǎn)法進(jìn)行巷道表面位移觀測(cè)，主要監(jiān)測(cè)巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平?；采用頂板離層指示儀進(jìn)行頂板離層監(jiān)測(cè)，其中離層指示儀深基點(diǎn)設(shè)置在孔深8m處、淺基點(diǎn)設(shè)置在孔深2m處，深、淺基點(diǎn)對(duì)應(yīng)測(cè)筒初始讀數(shù)調(diào)整為0。

4.2.2 礦壓數(shù)據(jù)分析及支護(hù)效果評(píng)價(jià)

巷道圍巖表面位移如圖4所示，工作面回采靠近礦壓觀測(cè)站時(shí)，巷道頂?shù)装逡平垦杆僭黾?，其主要原因是在工作面采?dòng)超前應(yīng)力影響下，巷道頂板采用錨網(wǎng)支護(hù)后，巷道底板砂質(zhì)泥巖強(qiáng)度低，無(wú)支護(hù)的巷道底板成為應(yīng)力釋放的突破口，造成巷道底鼓嚴(yán)重。

圖4 巷道圍巖表面位移曲線

22011A運(yùn)輸巷從掘進(jìn)到回采結(jié)束，頂?shù)装搴蛢蓭拖鄬?duì)移近量值最大值分別為372mm和310mm，巷道表面位移量整體較小，巷道有效斷面能夠滿足礦井安全生產(chǎn)需要。

巷道頂板離層如圖5所示，從掘進(jìn)到回采結(jié)束，22011A運(yùn)輸巷頂板離層儀淺基點(diǎn)和深基點(diǎn)下沉量最大值分別為48mm和52mm，有效控制了巷道頂板離層，提高了頂板支護(hù)安全性。

圖5 巷道頂板離層曲線

4.3 效益分析

“三軟”特厚煤層煤巷錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)是煤巷錨網(wǎng)支護(hù)的技術(shù)瓶頸，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)試驗(yàn)和研究，最終在超化礦22011A運(yùn)輸巷實(shí)現(xiàn)將錨桿(索)錨固在特厚煤層中而不是在頂板穩(wěn)定巖層中，并取得良好的支護(hù)效果，該技術(shù)的突破促進(jìn)了煤巷錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)在鄭州礦區(qū)的全面推廣應(yīng)用。

采用煤巷錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)后，礦區(qū)開(kāi)始使用操作方便、能夠快速移動(dòng)的超前支護(hù)液壓支架進(jìn)行工作面兩巷超前支護(hù)，取消了U型鋼棚支護(hù)時(shí)的端頭替棚作業(yè)工序，極大的提高了工作面快速推進(jìn)能力，產(chǎn)生了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié) 論

1)鄭州礦區(qū)煤巷失穩(wěn)破壞主要原因在于地質(zhì)條件和支護(hù)選擇兩個(gè)方面。煤層錨固性能、錨桿預(yù)緊力、護(hù)表強(qiáng)度、快速安裝工藝和及時(shí)支護(hù)是“三軟”煤層錨網(wǎng)支護(hù)的技術(shù)關(guān)鍵。

2)“三軟”特厚煤層托頂煤煤巷錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)得到成功應(yīng)用。瓦斯治理過(guò)程中底抽巷水力割縫泄煤形成煤體空洞等特殊條件下的錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)還需進(jìn)一步研究。