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1、破碎煤体内的巷道支护与加固技术赵 军（山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司 技术中心，山西 晋城 048006）摘 要：通过对晋城矿区煤体破碎机理的分析，总结了破碎煤体对井下生产造成的不利影响，提出了破碎煤体内巷道支护与加固技术。关键词：破碎 煤体 巷道 支护 加固 1 概述成庄矿和寺河矿分别是晋煤集团的主力生产矿井和基建矿井，开采方式分别为综放开采和一次采全高开采，采准巷道全部沿煤层底板掘进，为全煤巷道。在巷道掘进过程中，由于煤体的强度低，节理、裂隙发育，巷道的稳定性较差，在巷道掘进迎头经常出现冒顶、片帮等现象，给巷道的施工和支护带来了困难。（1）巷道周围的破碎带范围大，顶煤容易冒落，两帮片帮
2、加大，巷道超高、超宽现象多。在煤体严重破碎地段，巷道顶煤和部分直接顶在全巷道宽度上冒落，片帮深度达2m。施工难度大，工人劳动强度高，安全状况差，工作环境恶劣，易造成事故；（2）采用金属棚支护，在滞后迎头20m30m的巷道内，支架顶梁变形严重，棚腿向巷道内弯曲。在巷道服务期间，支架损坏严重，巷道变形量大，支护和维护费用高。采用普通锚杆支护，不能有效地控制松散煤体，锚杆托盘周围的煤体容易掉落，造成锚杆失效；（3）由于顶煤随掘随冒，掘进速度极低，直接影响了采掘衔接；（4）在冒落空洞内施工木垛勾顶作业极其危险。局部施工的木垛接顶效果差或不接顶，支架顶梁空支，支架处于失稳状态，在迎头冒顶时，易造成支架砸
3、坏或推垮；（5）巷道顶部冒落后形成空洞，积存了大量瓦斯，给通风和瓦斯管理带来很多困难，存在事故隐患；（6）巷道顶部冒落高度大，在工作面回采期间，端头支护和巷道超前维护困难，造成工作面推进速度降低。使用金属支架时，支架很难回收。2 煤体破碎机理分析 经过现场观察和测试，目前可以确定的煤体破碎机理有以下几方面：（1）局部区域应力增大，水平应力成为最大主应力（见表1），对巷道维护极其不利。当煤体受采掘工作影响，破坏了自身稳定性后，应力重新分布或应力释放，造成巷道周围煤体破坏，增加了煤体内的节理、裂隙发育。表1 寺河矿和成庄矿地应力测试结果应力名称大小（MPa）方向寺河矿最大水平主应力16.44北偏西
4、71.2平均最小水平主应力8.76北偏东19.8垂直应力7.04成庄矿最大水平主应力12.6813.06北偏东88.597.6最小水平主应力6.176.39北偏西0.5北偏东7.5垂直应力中间主应力（2）局部区域地质构造发育和影响。例如，成庄矿3307工作面受一背斜构造控制，背斜两翼发育有两个向斜。在向斜或背斜的轴部及附近，煤体内的弱面极其发育，煤体松散、发脆，导致煤体强度降低。（3）成煤过程中，煤体内混入了过多的粘土等杂质，造成煤体的整体性下降，巷道开掘后，煤体的自承载能力降低。无论哪种机理造成的煤体破碎，其表现形式都为煤体呈弱层理结构，节理裂隙发育，甚至成为流沙状。3 破碎煤体内的巷道支护
5、和加固技术3.1选择合理的巷道布置方向在进行矿井采区和工作面布置前，首先开展地质力学调查评估和地应力测试，确定地应力的大小和方向，尤其是最大主应力大小和方向，并依据测试结果，选择合理的巷道布置方向，尽量避免巷道掘进方向垂直于最大水平主应力方向。3.2破碎地段煤体的准抗压、抗拉强度煤体受节理、裂隙等弱面的影响，与煤块（试块）的强度相比，强度显著下降，按照式（1）和式（2）计算出煤体的准抗压、抗拉强，能较真实反映煤体的强度大小。RcMKRc （1）RtMKRt （2）式中 RcM、RtM准岩体抗压和抗拉强度；K煤体的龟裂系数；Rc、Rt岩石试件的单向抗压和抗拉强度。成庄矿3#煤的强度见表2。从表2
6、可以看出，在进行支护设计时，以煤体的准抗压、抗拉强作为计算基础，是较合理可靠的。 表2 成庄矿煤体单向强度与准强度对比表项目抗压强度抗拉强度龟裂系数单向强度（MPa）准强度（MPa）单向强度（钻孔法测试）（MPa）单向强度（MPa）准强度（MPa）数值30.913.7710.05-21.201.260.570.453.3 锚杆支护技术破碎煤顶在暴露后，迅速挠曲沉降、离层和破裂。刚性支护属于被动支护，无力控制煤顶破裂过程的发展，煤顶破裂形成的松动围岩压力，以集中载荷的形式作用于支架顶梁上,当巷道跨度较大时，顶梁会遭到严重破坏。而锚杆支护具有强初撑、急增阻和高阻力的工作性能，能够及时在破碎煤体内形
7、成防止破碎区扩展的锚固平衡拱，较大程度地发挥围岩的自承载能力，承受破裂区外破碎岩石的径向载荷，保持围岩固有的工作性能，并及早封闭围岩，控制不稳定岩块，防止岩层过大离层引起岩体松动及大范围的围岩变形，同时避免了巷道围岩变形损伤过程中锚杆锚固力的丧失。理论研究和实践证明，巷道顶板下沉量与锚杆排距之间存在一定的关系（见图1），选择合理的锚杆支护参数，可以有效支护破碎煤体内的巷道。3.4 高强度全长锚固锚杆和锚网梁组合支护技术研究表明，高强度全长锚固锚杆的支护效果，是相同杆径的普通端锚锚杆的几倍甚至十几倍，采用高强度全长锚固锚杆，可以提供更大的初锚力和锚固力，充分发挥锚杆对煤体的约束作用和抗剪作用，提
8、高围岩的整体性和承载能力。而锚网梁组合支护形式，更有利于发挥锚固平衡拱的作用，可以使锚杆、网、梁等支护构件组成一个支护整体，有效地提高围岩的整体性，防止锚杆周围岩石的松动对锚杆支护作用的影响，并通过梁的作用使支护系统具有很高的安全性，防止突发性冒顶事故。支护梁有W钢带和钢筋梯子梁等形式，其中W钢带属于面接触，钢筋梯子梁属于线接触。在破碎煤体巷道内，可利用W钢带强度高、刚性大、护顶面积大的优点，保证表面支护强度。3.5 锚索支护技术由于受巷道高度限制，锚杆的长度一般不超过2.4m，当顶煤较厚时，锚杆不能锚固到煤层上部的较稳定岩层中，顶煤与直接顶界面上易产生离层现象，随着离层的发展，导致顶煤冒落。
9、而锚索则可以达到10m以上，能够锚固到煤层上部的稳定岩层中，有效控制顶煤离层和冒落。在煤体破碎地段，锚索应当兼有悬吊和加固作用。由于锚索的长度、预应力、承载能力比锚杆的相应指标大，因此，锚索支护形成的锚固平衡拱比锚杆锚固平衡拱的承载能力大得多。当锚索的密度加大到一定程度（必要时，可采用锚索群支护），在锚杆、网、梁、锚索的共同作用下，锚固范围内的煤（岩）体构成较大的组合锚固体，使塑性破坏区内易于松动的煤体形成具有一定承载能力并适应围岩变形的锚固平衡拱，对破碎煤体起到有效的支撑。3.6 超前锚杆加固技术超前锚杆加固技术指巷道布置在破碎煤（岩）体内或巷道直接顶为弱层理结构时，在围岩开挖前，采用锚杆支
10、护技术提前对即将暴露的巷道顶板进行支护，以保持巷道开挖后原岩应力被破坏后巷道围岩的完整性，提高煤体破碎区域顶煤及两帮煤壁在掘进过程中的稳定性，为巷道顶板在离层前完成永久支护提供时间和空间上的保证。超前锚杆加固范围应以两帮上部及顶煤为主。超前锚杆可使用树脂全长锚固式或机械全长锚固式。施工超前锚杆的位置要紧贴巷道迎头，超前锚杆与顶板（两帮）之间的夹角控制在3040，向迎头方向倾斜，以增大锚杆超前迎头的控制范围。3.7 超前注浆技术 超前注浆是提前向巷道迎头前方一定长度的节理、裂隙发育的煤体内注浆，以改变煤体的松散结构，封闭煤体内的裂隙，提高煤体的粘结力、内磨擦角和强度，为锚杆提供可靠的着力基础。注
11、浆范围仍以两帮上部及顶煤为主，注浆孔沿孔深方向应接近巷道周边。超前注浆的主要技术参数包括钻孔布置、钻孔深度、封孔长度、注浆压力、注浆量、注浆时间等，关键是注浆孔的密封。注浆压力既要保证材料有一定的渗透压力，又不至引起煤体的二次压裂。注浆材料包括树脂类和水泥类。该技术目前有锚注支护技术和聚氨脂加固技术。3.7.1 锚注支护技术 锚注支护技术是“锚杆注浆一体化支护技术”的简称，该技术利用锚杆兼作注浆管，既能够通过注浆加固煤体，又使用锚杆对巷道进行支护。中国矿业大学研制的外锚内注式锚杆，将锚固和密封融为一体，提高了锚注技术的实用性。注浆材料有高水材料、水玻璃和水泥浆等，浆液的配比根据具体情况确定，采
12、用单液或双液注浆系统。此种方法受到地质条件的影响，施工较复杂，施工进度慢，但费用很低。3.7.2 注聚氨脂加固技术注聚氨脂加固工艺包括药包法和压注法。药包法的加固范围小，在2040cm之间，多用于煤壁加固；压注法适于大面积加固，煤体加固后的强度，甚至大于其单向抗压强度，用于加固煤岩体和破碎顶板。聚氨酯加固材料流动性和渗透性良好，在裂隙内发生反应后迅速固化，形成硬质树脂体，将周围煤岩粘接成一个整体。树脂体具有良好的弹性和可缩性，受外力时可产生压缩变形，但不会脆裂。聚氨酯材料反应速度快，不宜采用深孔注浆。若煤体松软，节理、裂隙不发育，渗透半径小，要适当增大钻孔密度，降低单孔注浆量。采用压注法需专用
13、压注泵。此种方法同样受到地质条件的影响，施工较复杂，费用较高，但施工进度快。3.8采用混合支护方式在围岩压力大、地质条件复杂多变、缺乏足够的实践经验时，为了安全起见，可以采用混合支护方式，即锚杆支护和金属棚支护相配合，保证围岩的稳定和巷道的安全使用。此时，巷道支护以锚杆支护为主，金属支架起着补强、防止突然冒顶的作用。通过试验，逐步加大棚距，最后取消金属支架。在此支护方式下，切忌将金属支架作为主要支护方式，随意更改支护参数，放松锚杆支护质量。3.9 回采期间的巷道维护 在回采期间，破碎煤体内的巷道无论采用何种支护方式，都会因为工作面两端头难于维护，影响工作面的正常推进，必须采取必要的措施对回采工
14、作面进行超前支护。如果在进行巷道的支护设计时，一味追求巷道在采动影响下的无加强支护，势必造成支护成本极高、施工工艺复杂。3.10 施工工艺的选择在破碎煤体内进行巷道施工时，应当尽量降低对煤体的多次破坏。掘进工艺以机械化作业为宜，应当杜绝炮掘工艺。锚杆孔的施工则应采用旋转切削式工艺，避免对煤体的冲击和震动。破碎煤体内的巷道支护和加固技术的内容还很多，如对巷道进行二次加强支护（包括补充锚杆（索）和喷射混凝土等方法）；加强巷帮支护，将巷帮支护与顶板支护放到同等重要的位置；采用倾斜锚杆对巷道角部进行支护，保证支护体系的完整合理；重视矿压监测工作，根据巷道离层和断面收缩情况及时采取必要措施等，均可应用于现场实践。参考文献：1陆士良，汤雷，杨新安。锚杆锚固力与锚固技术。北京：煤炭工业出版社，1998。2钱鸣高，刘听成。矿山压力及其控制。北京：煤炭工业出版社，1989。3邢福康，蔡坫，刘玉堂等。煤矿支护手册。北京：煤炭工业出版社，1993。作者简介：赵 军（1969-），男，工程师，1991年毕业于阜新矿业学院，现在山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司技术中心从事煤矿开采技术研究推广工作。1
