陶 偉

（山西汾西礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山西 介休 032000）

三軟煤層巷道支護(hù)一直是困擾煤礦安全生產(chǎn)的難題。軟巖是非均質(zhì)、非連續(xù)巖體，具有強(qiáng)度低、破裂不完整和易變形失穩(wěn)的特性，造成巷道圍巖變形大、支護(hù)損壞嚴(yán)重，致使工程成本高、工程進(jìn)展緩慢[1-2]。以山西高陽煤礦3 號煤層運(yùn)輸大巷為工程背景，對三軟煤層巷道支護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究。

1 工程地質(zhì)條件

高陽煤礦3 號煤層結(jié)構(gòu)簡單，平均厚度6.5 m，平均傾角4°，抗壓強(qiáng)度最大為21.2 MPa，最小為3.0 MPa，均值9.3 MPa。煤層頂?shù)装鍨槟鄮r、砂質(zhì)泥巖、砂巖，抗壓強(qiáng)度均小于15 MPa，屬極軟巖。煤層頂?shù)装鍘r性見表1。

表1 3 號煤層煤頂?shù)装鍘r性表

2 三軟巷道圍巖變形破壞特征

（1）成巷初期來壓快、變形量大，成巷后期巷道變形具有明顯的蠕變特征[3-6]，巷道自穩(wěn)能力差，采用單一的支護(hù)方式很難控制圍巖的變形。

（2）巷道多承受非對稱性環(huán)向壓力，使得巷道頂板易冒落、底板易鼓起，尤其是巷道底鼓難以控制，進(jìn)而造成巷道的兩幫內(nèi)擠、頂板冒落，最終使得巷道整體失穩(wěn)。

（3）隨著采深的增大，巷道圍巖壓力增大，巷道支護(hù)難度也隨之增大，且巷道的變形具有明顯的方向性。

（4）底板裂隙水會造成巷道底板泥巖遇水泥化、膨脹、強(qiáng)度降低，造成巷道底鼓[7-8]。

3 工字鋼棚式支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 三軟煤層巷道支護(hù)設(shè)計(jì)原則

（1）聯(lián)合支護(hù)。針對成巷初期圍巖來壓快、形變量大，后期蠕變形變的特點(diǎn)，必須采用聯(lián)合支護(hù)，才能有效控制巷道變形。

（2）二次支護(hù)。成巷初期首次支護(hù)關(guān)鍵是柔性讓壓，巷道一次支護(hù)采用“工字鋼棚+掛網(wǎng)+一次噴漿”，可適應(yīng)成巷初期巷道來壓快、形變速度大的特點(diǎn)，尚未澆筑的巷道底板也可釋放一定的變形能量。待巷道圍巖壓力充分釋放、巷道圍巖變形趨緩后，采用二次支護(hù)的方式，即巷道頂、幫采用“二次掛網(wǎng)+二次噴漿”、底板采用“工字鋼底梁+鋼筋+澆筑混凝土”的支護(hù)，對巷道全斷面加強(qiáng)支護(hù)，形成高強(qiáng)度閉合支護(hù)結(jié)構(gòu)體，進(jìn)而控制巷道的蠕變變形。

（3）控制底鼓是重點(diǎn)。鑒于3 號煤層厚6.5 m，將巷道布置于相對較為堅(jiān)硬的3 號煤層中，且巷道底板留一部分底煤，可規(guī)避底板泥巖遇水泥化的問題。同時(shí)，底板采用“工字鋼底梁+鋼筋網(wǎng)”強(qiáng)化支護(hù)，待底板澆筑混凝土后，巷道將形成整體封閉的高強(qiáng)度承載支護(hù)體。

3.2 三軟煤層巷道圍巖塑性圈

彈塑性理論認(rèn)為，當(dāng)巷道開挖引起的圍巖應(yīng)力重新分布超過了圍巖的彈性極限強(qiáng)度，但未超過其極限強(qiáng)度時(shí)，圍巖將發(fā)生塑性變形，進(jìn)而在巷道周圍形成塑性圈[9]。

已知3 號煤層主運(yùn)大巷直墻半圓拱巷道外接圓半徑R0=2.82 m，當(dāng)量半徑為：

式中：a為巷道理論半徑，理論半徑為2.72 m；K1為采動影響系數(shù)，取1.0；γ為上覆巖層體積力，取0.02 MN/m3；H為巷道埋深，取350 m；K2為煤巖體力學(xué)參數(shù)修正系數(shù)，取1/4.5；C為黏結(jié)力，根據(jù)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)得出，取2.5 MPa；φ為內(nèi)摩擦角，根據(jù)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，取為30°；Pi為支護(hù)阻力，取0.15 MPa；λ=（1-sinφ）/（2sinφ）。

由式（2）計(jì)算可知，3 號煤層主運(yùn)大巷圍巖塑性區(qū)半徑R=5.14 m，則塑性區(qū)深入圍巖深度△=Ra=2.42 m。

3.3 工字鋼棚承載力檢驗(yàn)

采用有限元分析軟件ANSYS 模擬巷道等效節(jié)點(diǎn)載荷，假設(shè)巷道不產(chǎn)生縱向位移，且圍巖載荷在巷道軸向方向?qū)ΨQ分布，則該巷道軸力、彎矩模擬結(jié)果如下：

圖1 巷道彎矩圖和軸力圖

由ANSYS 軟件模擬可知，該支護(hù)結(jié)構(gòu)最易破壞點(diǎn)為巷道幫部中央，該處彎矩最大，Mmax為5.8 kN·m，軸力Nmax為280.3 kN。

已知16#工字鋼支架截面面積S為26.1 cm2，截面模量Wx為141 cm3，慣性矩Ix為1127.0 cm4，最大抗拉抗壓應(yīng)力為215 MPa，棚間距為0.7 m，當(dāng)全部荷載作用在工字鋼支架上時(shí)，支架截面上最大拉應(yīng)力、壓應(yīng)力計(jì)算如下：

16#工字鋼支架截面上最大拉應(yīng)力為：

16#工字鋼截面上最大壓應(yīng)力為：

從計(jì)算可知：若無沖擊地壓或遇地質(zhì)構(gòu)造帶，選用棚排距為0.7 m 的16#工字鋼棚柱腿、拱梁最大應(yīng)力均小于工字鋼棚的屈服強(qiáng)度，符合支護(hù)強(qiáng)度要求。

3.4 工字鋼棚支護(hù)方案

3 號煤層運(yùn)輸大巷斷面選用承載能力強(qiáng)的直墻半圓拱形，巷道凈寬4.5 m，巷道凈高3.45 m，凈斷面積13.35 m2，支護(hù)選用“工字鋼棚+兩次噴漿+底梁澆筑”聯(lián)合支護(hù)方案。巷道的支護(hù)方式如圖2，支護(hù)參數(shù)見表2。

圖2 巷道支護(hù)斷面圖

表2 巷道支護(hù)參數(shù)表

4 礦壓觀測

采用“十字絲”法監(jiān)測巷道表面位移變化情況，經(jīng)連續(xù)觀測30 d，巷道表面位移監(jiān)測變形曲線如圖3。

圖3 巷道變形與時(shí)間關(guān)系圖

巷道表面位移變形監(jiān)測結(jié)果表明：成巷5 d 內(nèi)巷道礦壓顯現(xiàn)明顯，巷道頂板下沉、兩幫內(nèi)斂速度較快，頂板下沉量52 mm，兩幫內(nèi)斂合計(jì)50 mm；6～20 d 巷道圍巖趨于穩(wěn)定，表現(xiàn)為蠕變變形，巷道頂板下沉、兩幫內(nèi)斂平均速度小于0.5 mm/d；21 d后巷道幾無變形。工程實(shí)踐表明，“工字鋼棚+噴漿+底梁澆筑”聯(lián)合支護(hù)可有效控制三軟煤層巷道圍巖變形。

5 結(jié)語

3 號煤層運(yùn)輸大巷采用“工字鋼棚+兩次噴漿+底梁澆筑”聯(lián)合支護(hù)方案，可有效控制軟巖巷道圍巖變形。但該支護(hù)方式因施工工序復(fù)雜、進(jìn)尺較慢、造價(jià)較高，僅適用于主要巷道。