B070301 “三软”地层防止顶板冒落支护技术实践

锚、网、喷+锚梁联合支护在“三软”地层中的应用刘波[龙口矿业集团公司梁家煤矿，山东龙口265700]摘要针对梁家煤矿在巷道施工中总结出的顶板冒落的特点，分析了巷道顶板冒落事故发生的原因，介绍了在锚、网、喷支护巷道采用锚梁联合支护，有效防止巷道顶板的冒落的经验。

主题词“三软”地层顶板冒落锚、网、喷+锚梁支护1前言龙口矿区梁家井田是典型的“三软“矿井，成煤于新生代第三系，含煤地层岩性多为泥岩、粘土岩、含油泥岩、炭质页岩和胶结松散的砂岩。

岩层单轴抗压强度 5.3～44.3MPa，大部分小于20MPa；内摩擦角26.3～32°；节理裂隙发育，松散破碎。

大部分岩层中含有蒙脱石（最高68.4%）、高岭土膨胀性矿物，易吸水崩解，膨胀性强（最高245%）。

围岩自稳时间短，具有显著的流变特性。

梁家井田主要可采煤层为煤2、煤4层位。

煤2层煤层顶板为含油泥岩，厚度13m左右，岩层致密，韧性大，层位稳定，属于中等冒落顶板；底板为砂质泥岩、泥岩及粘土岩、粉砂岩及中粗砂岩，遇水膨胀泥化变软。

煤4层煤总厚度在10.7～11.8m之间，煤层结构复杂，含夹矸20层左右，夹矸总厚在3.5m左右，纯煤厚度在7.5m左右。

煤4层自上而下可划分为8个分层，其中，夹矸在全层上下两端多、中间少；煤层直接顶为泥岩，厚度一般在1.8m 左右，其上为泥岩砂岩互层，平均厚度61.3m，强度低易冒落；直接底为泥岩，厚度在0.56m 左右，强度低，具有遇水膨胀、泥化的特点。

根据多年来的井巷工程实践，煤1的工程稳定性最好，煤2次之，煤4底板8m下炭质泥岩和断层破碎带最不稳定。

煤2层巷道设计一般选择在煤中，煤4层巷道一般选择在煤4-6底板上500mm为巷道底板。

几年来，通过深入研究龙口矿区软岩地质条件、岩层属性及巷道开挖后矿压显现特性，针对巷道围岩自稳期短、压力显现快、塑性变形大且持续时间长，同时围岩极具强膨胀性、扰动性、崩解性、流变性的特点，在实践中摸索支护形式，认真分析总结多年来的工程实践，结合地质特征及巷道变形破坏规律，提出支护对策，并通过反复实践，逐步建立了以锚、网、喷、锚、梁为主体的支护系统。

2 “三软”地层围岩特性经过多年的施工实践，总结出“三软”围岩具有以下特性：①围岩强度低，煤体及顶、底板围岩松散破碎，自承能力差，自稳时间极短。

巷道开挖后围岩即呈现出明显压力，2小时内围岩便失去自稳，顶、帮爆裂片落，因此软岩巷道的支护和对围岩的封闭必须及时、迅速，以杜绝围岩风化和最大限度地保持围岩自身强度。

②围岩具有高饱和吸水性、强烈的膨胀性和流变性，其中泥岩和炭质泥岩表现尤为明显。

围岩吸水后立即强烈膨胀，表层围岩吸水后向深层岩层渗透，造成吸水越来越多、膨胀愈加强烈。

掘进成巷后必须及时封闭围岩，才能杜绝围岩吸水的通道，达到巷道支护的目的。

③围岩极具扰动性和崩解性。

围岩抗干扰性弱，放炮震动能导致围岩结构发生变化，会加大表层围岩的裂隙，造成表层围岩崩解。

围岩受扰动距离相当大，通常煤2层位互扰距离至少30～40m，煤4层位互扰距离至少60余m。

因此为满足支护需求，巷道设计时必须合理布置，避免互扰。

④围岩的塑性变形大，持续时间长。

巷道围岩高度与宽度变形如图1所示。

1-巷高变形曲线；2-巷宽变形曲线图1 软岩巷道围岩变形曲线由观测结果可知：A段为速变期，通常为开掘后10～20天，宽度变形为150～250mm，高度变形为100～200mm；B段为缓变期，通常为巷道开掘21～70天，特征是宽度变形大于高度变形；C段为剧变期，由于围岩吸水后潮解变软，降低了自身强度，施加在支护体上的压力增加，围岩的膨胀变形促使支护体的破坏，加速巷道变形、破坏。

此时巷道的变形量都明显增加。

为延长巷道使用寿命，满足生产需要，通常采用补强手段，即在巷道进入C段变形期前对巷道进行补强支护。

⑤围岩的松动性。

根据超声波围岩探测仪及位移观测得知，巷道掘成后围岩松动圈大致为椭圆形，其长轴平行于围岩层理方向。

矿井投产初期，由于开采深度浅，开采条件好，围岩松动的范围约为0.6～1.9m。

随着矿井开采范围不断扩大，开采条件越来越差，老空区增多，围岩的松动范围主要集中在1.0～2.5m之间，局部离层松动达到3.5～4.0m，回采巷道受采动超前压力影响，深度可达5.0～6.0m。

靠近巷道轮廓线的一圈尤其松软，形成所谓的“松散破碎带”，成为影响支护效果的重要原因。

3 软岩巷道破坏机理分析（1）围岩岩性影响梁家井田煤层埋深为235～600m，目前开采的煤4层最大深度为-524.8m，原岩应力较大。

该煤层巷道顶、底板岩性分别为泥岩砂岩互层、泥岩，岩层节理发育。

由于软岩巷道的工程稳定性差，自稳期短且极具压力显现，因此该巷道一开挖，顶板立即脱层并向纵深发展，围岩风化而遭破坏。

根据巷道施工工程实践经验，为避免巷道顶板冒落，在巷道掘出0.5～1.5ｈ内必须对顶板进行有效支护，由于围岩具有吸水后强膨胀性、崩解性、流变性的特点，必须在7～8ｈ内进行喷射混凝土加以封闭。

积极而又足够强度的支护没有给开挖的围岩以充分的卸压空间与时间，因此这种应急补救性支护虽然及时封闭了帮、顶，有效避免了松散破碎带的扩深，但也恰恰是造成后期应力重新集中分布的原因，加大了支护的难度。

（2）掘进支护影响梁家煤矿巷道施工主要有爆破掘进和综掘机掘进两种方法，目前多数巷道以综掘机掘进为主，少部分巷道采用爆破掘进。

由于综掘机掘进速度快，掘进工作面的应力成波状迅速向后方巷道传递，因此在工作面后方7～12ｍ处形成一个高应力区。

由于综掘机掘进时对围岩震动较小，不利于顶板压力有效向两墙传递，致使应力集中在巷道顶板，而两墙应力相对较小，这样通过巷道顶板与两墙交界的腮部出现剪切裂缝，当裂缝纵深超过锚杆的锚固端，如图2所示。

锚杆锚固端上方岩石的离层及剪切裂缝处的摩擦阻力不足以支撑上方岩石的重压时，巷道顶板即呈漏斗形冒落，冒落位置一般为距离掘进工作面后方4～16ｍ处，冒落宽度一般为巷道宽度，高度一般为2～4ｍ。

图2 巷道受力状态4 梁家煤矿支护技术发展历程建井初期，巷道主要采用钢筋混凝土等高强度支护方式。

由于井巷系统相对简单，支护强度足够大，因此巷道返修量不大，冒顶事故也不多，但施工速度慢、投入大，影响矿井经济效益。

随着锚杆支护技术的推广，锚杆支护技术在梁家井田得到广泛应用。

巷道最初采用锚、网、喷的支护形式，锚杆支护采用直径14mm、长1900mm圆钢锚杆，双超快硬水泥锚固剂药卷，厚15mm、直径12.5mm铸钢托盘。

虽然锚杆长度及锚固力较小，回采巷道在工作面超前压力打开影响下，支护困难，但也基本满足了复合支护形式巷道一次支护需求，锚、网、喷支护技术在软岩矿区得到了成功应用。

随后，根据现场情况变化，使用了直径14mm、长2250mm麻花头圆钢锚杆和直径12.5mm 铸铁托盘、树脂锚固剂药卷，在相当长的一段时间内基本满足了巷道支护需求。

为解决锚杆杆体强度不足问题，又选用了直径18mm、长2250mm的麻花头圆钢锚杆。

采用上述锚杆支护材料和支护参数的巷道，巷道表面收敛位移，两帮位移总量小于400mm，顶板下沉量小于250mm，巷道表面状态良好，基本能满足生产需要。

支护断面如图3所示。

在此基础上逐步形成了较为成熟的梁家煤矿软岩巷道锚杆支护技术。

图3 原巷道支护断面示意图随着矿井开采范围不断扩大，巷道系统日趋复杂，开采条件越来越差，原有的支护形式已不能满足需要，煤2层部分巷道出现大面积破坏现象，冒顶事故经常发生，并造成多起人员伤亡事故。

5 锚、网、喷+锚梁联合支护在锚、网、喷支护的顺槽中，局部围岩由于特别松散、胶结性差，或因巷道掘进遇到断层、弱面，放炮震动致使顶板岩层松涨，顶板岩层在重力的作用下整体冒落，并向上及两侧扩展，形成蘑菇状冒落区，如图4所示。

图4 顶板蘑菇状冒落区示意图为加强顶板的完整性，借鉴了架棚支护的原理，设计时在顶板加装锚杆固定的刚性梁。

在2203东上顺巷道进行了锚、网、喷+锚梁+注浆联合支护方式的试验：在顶板软弱破碎段顺槽支护时增加了锚梁支护，对沿老空帮部煤柱进行注浆。

试验结果证明，这种联合支护取得了较好的效果。

由于对锚杆支护技术认识不足，采用了刚性梁架棚腿的棚式支护。

因为顶梁为钢性弧形梁，故取名为锚、网、喷+弧梯形棚联合支护。

该联合支护在局部压力显现明显，尤其是两帮内挤底臌的情况下，钢棚腿容易失脚，失去对顶板的有效支护，因而不能有效控制冒落。

而后采用直径18mm、长2250mm的麻花头圆钢锚杆及树脂锚固剂药卷配合专用U型卡子固定锚梁。

由此形成了梁家煤矿软岩巷道最广泛应用支护形式——锚、网、喷+锚梁联合支护。

5.1 锚梁的支护机理锚梁支护的提出是基于冒顶的原因分析。

软岩巷道冒顶通常是因于顶板岩层沿巷道两腮向斜上方产生两条剪切裂隙，产生较大离层，而锚、网、喷形成的支护体不足以维持离层覆岩的自重，一旦有外力（如震动）影响，即造成顶板离层覆岩沿两条剪切裂隙冒落，冒落体多为倒楔体。

锚梁的支护机理为：①形成承压拱。

巷道顶板沿锚梁及其固定锚杆锚固形成承压拱。

②多点平衡支承作用。

锚梁为刚性，使锚固的锚杆通过锚梁均匀受力；锚梁能阻止顶板的局部变形，改善顶板受力状况，使顶板支护体尽可能地均匀受压。

③板梁作用。

根据上述巷道冒顶情况分析，冒落区通常为倒楔形，这样锚梁通过两端固定锚杆与水平呈30～45°夹角，深入上覆相对稳定岩层，从冒落区以外将锚梁两端进行固定，形成板梁，将巷道顶部抬起，阻止其下沉。

④加强梁作用。

多年来的软岩支护工程实践表明，没有任何一种支护形式可以阻止软岩巷道开挖后的破坏。

虽然锚、网、喷+锚梁联合支护是一种可以充分发挥围岩主动支护形式，但如果锚梁支护后，仅仅依靠其U25型钢强度，很难抵抗巷道顶板的下沉。

由于软岩巷道开挖后两帮的内挤，使锚梁嵌入围岩内，顶板下沉使锚梁与顶板紧密结合在一起，这使原本使用锚杆固定的锚梁有了强有力的根基，牢固地发挥着支撑作用；下沉顶板与锚梁形成组合梁，其强度远大于U型钢的强度。

5.2 锚梁支护材质及参数锚梁多采用U25型钢或11#工字钢，将其加工成弧形。

根据巷道断面不同（如直墙半圆拱、直墙三心拱、马蹄型等巷道断面）进行弧形加工。

锚梁长度2400～3500mm，矢高219～370mm，矢高不宜过大，如果过大，锚梁会因在受力时间及受力方向上不同步而产生“滚梁”现象，同时也加大巷道顶板弧度的施工难度。

锚梁的重量一般在60～90kg/根。

锚梁结构如图5所示。

图5锚梁结构示意图5.3 锚梁施工工艺用3组6根直径18mm、长2250mm的A3圆钢锚杆固定锚梁，用直径35mm、长400mm 的树脂锚固剂卷端头锚固，中间一组锚杆垂直于顶板，两肩锚杆与水平呈30～45°夹角，锚梁安设间距为1000mm，个别压力显现较大或顶板破碎巷道可适当将锚梁安设间距调整到700～800mm。