煤矿三软煤层支护技术——青海能源发展集团有限公司

煤矿三软煤层支护技术
青海省能源发展集团有限公司
鱼卡公司从2003年建矿初期就开始对三软煤层的支护问题进行了研究探索，到目前为止已取得了一定的成果，但仍存在支护投入高、支护工序复杂等问题，为此软岩支护的研究还需要在今后的工作中不断进行探索研究和改进。

一、三软煤层巷道变形破坏力学机理分析
软岩地下工程失稳力学机理是地层压力效应，地层压力可分为松动压力、变形压力、膨胀压力等。

当地下工程支护不及时时，变形压力和膨胀压力会使围岩破坏转变为松动压力，引起围岩失稳。

1．松动压力
松动压力是直接作用在地下工程支护上的作用力力，多作用在巷道的顶侧帮，形成原因是地下工程采动后，围岩应力重新分布，部分围岩或结构面失去强度，成为脱离母岩的分离块和松散体，在重力作用下，克服较小的阻力产生冒落和塌滑运动，其具有突发性和断续性。

2．变形压力
在二次应力作用下，围岩局部进入塑性变形，塑性变形形成支护压力。

有支护时，支护刚度产生抗力，此抗力就是实际的变形压力。

支护越早支护体受到的压力越大，支护越
晚支护体受到的压力越小。

3．膨胀压力
在软岩掘进时，岩体遇水后发生不失去整体性的膨胀和移动，有支护时，膨胀变形对支护产生另一种形式的变形压力，这主要是岩体颗粒间存在相互连通的吸水性强的毛细通道，致使岩体发生膨胀，向地下工程内自由空间移动，对支护形成压力。

二、软岩支护基本理论
1．轴变论和系统开挖理论
巷道围岩破坏是由于应力超过岩体强度极限所致，坍塌是改变巷道轴比，导致应力重新分布。

开挖系统控制理论是开挖扰动了岩体平衡，这个不平衡具有自行组织功能。

2．联合支护理论
对于软岩支护强调先柔后刚，先抗后让，柔让适度，稳定支护。

由此而衍伸发展起来的支护技术有锚网支护、锚喷支护、锚索支护、锚带支护、钢架支护等联合支护。

3．围岩松动圈理论
在坚固岩层松动圈基本接近零，此时围岩塑性、弹性变形虽然存在，但不需支护。

软岩巷道松动圈较大、收敛变形大、支护困难。

因此，支护的目的在于防止围岩松动圈发展过程中的有害变形。

4．主次承载区支护
在巷道开挖后，围岩中形成拉压域，主承载区域为压缩域，次承载区域为张拉域，支护对象主要为张拉域。

5．应力控制
即改变围岩应力分布，使支撑压力向围岩深部转移，人为降低支撑压力区围岩的承载能力。

三、“三软”煤层主要支护形式：主动支护
主动支护即锚固支护，已有50年的历史，其支护机理主要为：
1．悬吊理论：是将直接顶悬吊到上部坚硬岩层，悬吊理论能较好的解释锚固顶板范围内有坚硬顶板岩层的锚固支护。

2．组合梁理论：通过锚杆的径向力作用将叠合梁的岩层挤紧，增大层间摩擦力，同时锚杆的抗剪能力也阻止层间错动，使锚固支护形成组合梁。

3．拱形压缩带理论
锚杆安装后使巷道围岩形成连续的压缩带，压缩带承受围岩的压力。

四、三软煤层支护的实践
鱼卡公司年设计生产能力90万t ,现主采煤层为侏罗系大煤沟组地层，煤层厚度在3-105m，目前生产水平为2920水平，综放工作面布置在主副井的东西两翼，采区交替开采。

煤质松软破碎，夹矸层属泥质胶结，与煤层粘结性差，煤层
强度约ｆ=0 .5～4（普氏系数）。

由于受煤层赋存条件限制，开拓巷道布置在煤层底板中的富含云母砂岩（软岩）范围较大。

回采巷道布置在煤层夹矸层中的范围占较大的比例。

鱼卡公司软岩巷道支护形式主要采用锚网支护，锚索支护，锚带支护，钢架支护，注浆加固及不同组合的联合支护等支护技术。

1.顶板支护。

三软煤层巷道顶板稳定性差，易产生离层冒落。

应采用加长锚固，使加长锚固范围内任意一点的岩层产生较小的变量，锚杆也可对岩层产生较大的约束力，阻止离层，因而顶板岩层的整体性得以保证，减小顶板下沉量同时避免锚杆端头受力集中。

2.两帮支护
三软煤层巷道表现为强烈的两帮相对移近，在采掘活动中的动压作用下产生大范围的塑性流变区域，极难进入稳定状态。

合理控制两帮塑性区的发展，降低流变速度同时又能适应较大的变形量。

应使用让压支护即在锚杆尾端加让压垫圈，在给两帮提供较大支护阻力的同时，允许两帮有一定量的变形，降低围岩压力，改善支护受力状态。

3.底板支护
为控制巷道两帮相对移近量、底臌等，在巷道底板进行锚固。

4.注浆加固
（1）化学注浆充填材料
高分子充填材料——罗克休泡沫产品是一种由两种成份组成的注射产品，用于中空充填，隔绝空气和瓦斯以及加固断裂程度高的地层。

注射罗克休泡沫使用一台泵和一只混合枪，容积以4比1混合树脂和催化剂，发生快速反应生成泡沫，接着产品会快速膨胀到原体积的20-30倍，膨胀后，罗克休泡沫在几分钟内硬化。

其反应的快速，高膨胀率，良好的抗压能力以及突出的抗静电性能，可以取得经济的、快速的、安全的充填效果。

凭借其耐火等级，同适用于地下热源的密闭和地下矿井的防火。

其具有以下优点：高膨胀率、中空填充用量小，泡沫反应迅速、不蔓延火焰。

（2）加固材料
高分子化学加固材料——马丽散，是由两种组分组成（树脂和催化剂）的高分子化学产品，用于煤岩体的加固。

产品的高度粘合力和良好的机械性能与煤岩体产生高度粘合，良好的柔韧性可以承受地层压力的长期作用，并且具有强抗渗性能、抗磨、抗冲击性能和抗老化性能，从而达到长久稳固煤岩体的目的。

材料在注入到煤岩体裂隙中后，低粘度的混合物可以保持几秒到一分钟左右的液体状态，在扩散一定范围后反应结束，在煤岩体裂缝内反应、硬化，与煤岩体胶结，达到快速加固煤岩体的目的。

对于普通煤岩体加固剂，尤其是水泥基材料主要依靠泵压作用下的浓度渗透压力差机理来进行渗透的。

而马丽散最大优点是能够发生膨胀，浆液在煤岩体裂隙中的二次渗透压力，其膨胀倍数可达到原体积的1.5～2.5倍。

因此，其不仅依靠泵压作用的浓度压力差进行渗透，而且依靠材料本身的膨胀特性产生自身的二次渗透，使得浆液向四周扩散，这样浆液的扩散范围和充填密实度要比普通材料高出数倍。

马丽散N技术参数如下:
（3）水泥注浆充填材料
采用水泥预注浆加固技术对煤岩体进行超前加固，使浆液渗透到煤体的裂隙中，将破碎煤体粘结成整体。

进而提高煤体的自身支撑力，保持围岩稳定以及堵水性能，其综合效果表现在以下几个方面：
a.浆液固结体的网络骨架作用
浆液经挤压或渗透到围岩纵横交错的裂隙中固结后，会在围岩中形成网络骨架结构。

浆液固结体呈薄厚不一的片状或条状，几乎可相互连通形成网络骨架，起到一定的支撑力。

当应力超过岩体强度发生较大变形时，固结材料的网络以其良好的韧性和粘结强度起到骨架抗压作用，提高围岩的残余强度，限制围岩破坏的扩展，从而改善维护状况。

b.充填压密及转变围岩破坏机制的作用
浆液在泵压的作用下，除了将一些较大的裂隙充填满，还可以将一些充填不到的封闭裂隙和小裂隙压缩，甚至使其闭合，提高围岩的弹性模量和强度。

采用充填注浆技术加固围岩，一方面通过注浆将支架与围岩耦合为一体，实现支架与围岩共同承载；另一方面通过注浆加固围岩，提高围岩体本身的稳定性。

经过注浆固化后，裂隙内充满固结材料，加上固结材料对裂隙面的粘结作用，使裂隙端部的应力集中大大削弱或消失，从而使围岩的破坏机制发生转变。

另外，当围岩中存在较大的裂隙，裂隙附近的岩体处于二向应力状态，当裂隙内充满固化材料或压密后，将变为三向应力状态，而岩体在三向应力状态时的强度比二向时显著增大，并且脆性减弱、塑性增强。

从受力状态来看，注浆固化也起到了转变岩体破坏机制和提高围岩强度的作用。

c.提高围岩体强度、形成承载结构
通过注浆, 能够改变弱面的力学性能, 即提高裂隙与煤体之间的粘聚力和内摩擦角,增大岩体内部块间相对位移的阻力,从而提高岩体的整体稳定性。

通过注浆加固, 可以使松散岩体重新胶结成整体, 形成承载结构, 充分发挥围岩的自稳能力。

极软岩层中的巷道支护，由于岩层的流变性较强，主动支护的锚固支护及注浆支护都会因其特殊条件均难达到理
想的支护效果，为此在极软岩层巷道的支护应采用：
i.先采用锚固支护让压后采用全封闭式矿用U型钢可缩性支架进行支护，使支护空间形成一个可缩性的封闭空间，能有效的阻止矿压向支护空间移动，最终使围岩达到相对稳定。

ii.之后采用喷射混凝土支护，其具有及时、密贴、早强、封闭的特点，喷射混凝土的支护作用原理：
d.支撑作用
喷射混凝土支护具有良好的物理力学性能，特别是抗压强度较高，可达200kg/cm2以上。

因此能起支撑地压作用，又因其中掺有速凝剂，使混凝土凝结快，早期强度高，紧跟掘进工作面起到及时支撑围岩的作用，有效地控制了围岩的变形和破坏。

e.充填作用
由于喷射速度很块，混凝土能及时地充填围岩的裂隙、节理和凹穴的岩石，大大提高了围岩的强度。

f.隔绝作用
喷射混凝土层封闭了围岩表面，完全隔绝了空气、水与围岩的接触，有效地防止了风化潮解而引起的围岩破坏与剥落；同时，由于围岩裂缝中充填了混凝土，使裂隙深处原有的充填物不致因风化作用而降低强度，也不致因水的作用而使得原有的充填物流失，使围岩保持原有的稳定和强度。

g.转化作用
由于前3个作用的结果，不仅提高了围岩的自身支撑能力，而且使混凝土层与围岩形成了一个共同工作的力学统一体，具有把岩石荷载转化为岩石承载结构的作用，从根本上改变了支架消极承压的弱点。

五、三软煤层支护的效果分析
鱼卡公司通过长期的实践，在三软煤层的支护技术上有了显著的进步。

软岩支护技术根据岩层力学性质、岩石硬度、节理、稳定程度，巷道围岩的孔隙率、巷道松动圈及巷道断面等诸多因素因地适宜的实施不同的支护方式：诸如在松动圈范围空隙率较发育、岩层裂隙极为发育区域，采用超前预注浆加固之后进行开挖。

在流质性岩层中的支护，则采用锚固、全封闭式钢支架、喷浆等联合支护。

在大断面巷道中支护则配以锚索支护，以起到悬吊梁及紧固松动圈的效果。

在易形成网兜的巷道支护中增设钢带亦能起到较好的稳定效果。

在三软煤层支护中的重点工作应该是为巷道让压，即在支护外围预留让压空间或在顶帮充填可缩性材料。

1．综采工作面端头注浆效果分析
鱼卡公司1171综放工作面在回采过程中由于端头部压力显现明显，顶板随回采推移下沉严重，导致端头架压死现象时常发生。

为有效遏制顶板下沉而造成的困难局面，因此在机道超前段进行注浆加固煤岩层，注浆原料为玛丽散和超
细水泥，加固圈深度为5m。

经过观测数据分析，注浆区域的顶板下沉量相对不注浆区域减小70%，为端头架推移创造了良好的条件。

2．掘进巷道超前预注浆效果分析
2920掘进工作面位于二采区煤七组2920水平，设计长度约850m。

巷道服务年限约2年。

运输顺槽断面为直墙半圆拱：掘进宽4.2m，掘进高3.4m，墙高1.3m，掘进断面积12.38m²。

巷道采用锚网（钢筋网）、锚索支护，排列方式为矩形，支护材料为2.2m螺纹钢锚杆，间排距800×800㎜，铁托板、木托板紧固，锚索采用双排布置，排距为 3.0m，间距为1.2m，锚索托板为500-600mm的工字钢。

在巷道压力现象处架设U型可缩性钢支架，架间距为800mm，喷浆厚度为50mm。

2920西运输顺槽在掘进中由于煤层赋存条件较差，煤层中夹有极软夹矸层，导致局部巷道压力大，使已掘成形的巷道最大变形量由原断面4m缩变为2.5m，架设的钢支架严重变形，巷道掘进速度缓慢、掘进成本加大。

在2920西运输顺槽100m处，开始向里28m范围内变形严重的成巷段进行超细水泥预注浆。

注浆眼孔布置主要以巷道拱肩部位为主，拱顶部为副，共布置18个钻孔，左侧8个，右侧7个，拱顶3个，封孔距离2-3.5m，最大单孔注浆量为600公斤，最小单孔注浆量为60公斤，水灰比：0.83∶1。

实验结果：为了巷道的安全正常使用，对巷道变形严重的28m区段进行预注浆后返修，经返修后对此段巷道进行长期观测。

得到的结果是巷道变形量最大为30mm，说明注浆加固后围岩变形得到了较好控制。

3．副井井筒延伸及2920车场极软岩巷道封闭支护的效果分析
车场位于极软岩围岩中，由于其遇水后具有极强的流变性，没有空隙的特性，所以在最初进行的注浆、锚固技术、穿底平梁等支护试验中都没有收到良好的效果。

最终实施了锚喷、全封闭式可缩性U型钢支架联合支护形式。

即在巷道开挖初期使原始断面略大于设计断面，而后立即进行锚固，锚固支护后进行钢支架支护，架间距0.6m，架间实行柔性连接，并在支架与围岩间预留有一定的让压空间，喷浆滞后掘进一段时间，最后观测其巷道变形量比其它支护形式减小80%以上。