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煤矿,,,,张永进坚韧不拔(一)
三软煤层巷道锚固支护技术研究
【煤矿,,,,张永进坚韧不拔】 [摘 要] 三软煤层是煤矿资源当中的重要组成部分，想要实现对三软煤层煤炭资源的有效开采，必须要做好三软煤层巷道的锚固支护工作。如果对三软煤层巷道的支护不当，那么不仅会使矿井生产面临困境，为企业带来重大的经济损失，还有可能出现塌方等施工事故，严重威胁着施工人员的生命安全。笔者结合实践工作经验，在本文中首先对三软煤层巷道及属性进行了系统的分析，然后在此基础之上对三软煤层巷道锚固支护设计方法进行了讨论研究，为三软煤层巷道锚固支护技术的进步提供帮助。 [关键词] 三软煤层； 软岩巷道； 锚固支护
引言
随着社会对煤炭资源的需求量不断增大，煤炭开采企业开始进一步对矿山纵深方向资源开采的逐渐加深，巷道围岩当中的软岩部分也逐渐增多，软岩巷道的支护问题成为了矿山安全生产所面临的重要问题，尤其是三软煤层巷道等高难度巷道的支护问题仍没有得到有效解决，这使得煤炭开采企业在对软岩煤层开采过程中遇到了极大的阻碍，不仅无法实现对煤矿资源的有效开采，还严重威胁着煤矿开采人员的生命安全，因此必须要解决三软煤层巷道的支护问题。
一 三软煤层的特征及其巷道属性
1.1 三软煤层的基本特征
在煤炭开采过程中，常常会遇到煤质较软，且煤层顶板和底板也较软的煤层，这种煤层就被称之为“三软煤层”[1]。由于该煤层以软为主，所以对该煤层的开采难度要远大于普通煤层，之所以三软煤层的开采难度较大，主要是由于其“三软”特性而导致的：
1.1.1 煤质软
煤层当中的煤质软，会使得该煤层的煤体强度大大降低，节理发育、煤层结构不稳定使煤壁极易出现破碎和片帮情况，且煤壁片帮和梁端冒顶相互诱发。在普氏系数当中f≤1的为软岩（软岩分类详情参见表一）。
1.1.2 顶板软
顶板软一般指Ⅰ、Ⅱ类不稳定顶板，直接顶顶板岩层裂隙发育、破碎，抗压强度指数很低或为软顶煤，基本上是一旦失去支撑，那么很快就会出现冒顶情况。
1.1.3 底板软
底板软是指底板的抗压程度较低，容易出现扎底的情况，一旦遇水就会出现膨胀和变软的情况[2]。当底板抗压程度σ≤4MPa时，底板为软底板。
1.2 三软煤层巷道的基本力学属性
1.2.1 软岩的临界载荷
软岩的临界荷载是在软岩荷载能力上能够使岩石产生明显变形的最小荷载，即软岩的荷载力的临界点。其实软岩的临界荷载是通过软岩的蠕变实验来得出的。在实验过程中，当外力对岩石所施加的荷载小于岩体本身的某一荷载水平时，岩石会处于一种稳定的变形状态，并不在发生变化。当外力对岩石所施加的荷载大于岩体本身的某一荷载水平时，掩饰就会出现明显的塑形变形加强现象，从而形成不稳定变形，在整个实验过程中的“某一荷载水平”，就是软岩的临界荷载[3]。软岩的临界荷载是判定岩石性质的标准，在任何时候软岩的临界荷载都是客观存在的。同一性质的岩石，当它在面临小于临界荷载的外力荷载时，那么该岩石就是硬岩；若该岩石所面临的外力荷载大于其本身的临界荷载，那么该岩石就可被称之为软岩。
1.2.2 软化临界深度
在岩石的基本力学属性当中，除了临界荷载以外，软化临界深度也是其重要的属性之一。当矿山巷道埋深大于一定深度时，围岩必然会出现大程度的变形情况，当大程度变形出现时巷道的支护就会变得相当的难。当矿山巷道埋深小于一定深度时，则围岩的大程度变形情况小时，巷道支护变得容易。在整个过程中的“一定深度”，就是软化临界深度。岩石的软化临界深度与临界载荷的性质相同，即都是一个客观量。
1.2.3 软岩两个基本属性之间的关系
软岩的两个基本属性可以相互之间进行推理求的，但在不同客观条件下，其关系也有所不同：
（1）在无构造残余应力地区，两者之间的关系为：
（2）在构造应力较大的地区，两者之间的关系为：
注：式中Hcs为软化临界深度，其计量单位为“米”（m）：σcs为软化临界荷载，其计量单位为“兆帕斯卡”（MPa）；ΔJ CS为残余构造应力，其计量单位为“兆帕斯卡”（MPa）；yi为上覆岩层第i层体积质量，其计量单位为“千牛每立方米”（kN/m3）；H为上覆岩层总厚度，其计量单位为“米”（m）；hi为上覆岩层第i层厚度，其计量单位为“米”（m）；N为上覆岩层层数。
二 三软煤层巷道锚固支护设计方法
2.1 三软煤层巷道动态信息设计方法
在对三软煤层巷道进行动态信息设计过程中，必须要对煤层所在矿井的实际情况进行分析，然后根据三软煤层的实际情况来进行动态信息设计[4]。三软煤层巷道动态信息设计方法详情参见表二：
2.2 动态信息法锚固支护设计步骤
三软煤巷的动态信息设计步骤是以设计方法为基础而进行的，笔者经过总结和优化将其分为工程地质资料分析、锚固支护初步设计、现场监测以及信息反馈优化设计4个阶段：
2.2.1 工程地质资料分析
对工程地质资料分析的工作总体概括下来可以分为两个部分，其一是要加强对构造体系的研究，并对地应力的特征及其对围堰工程地质性质影响进行系统分析；其二是对岩体的沉积特征进行系统分析，对于不同的地质条件应当进行现场及实验室研究，以便获取最准确的基本物理力学参数[5]。
2.2.2 锚固支护初步设计
2.2.2.1 巷道围岩破坏范围计算
根据理论计算公式对已得出的围岩物理力学参数进行计算，得出顶底板破坏范围和煤帮破坏范围，根据现场实测得出围岩松动圈范围。然后根据理论公式计算与现场实测相比较，从而对数据进行确定。
2.2.2.2 锚固支护参数确定
锚固支护参数是需要根据已知的围岩破坏范围的大小，通过计算巷道顶板及煤帮的荷载来确定的[6]。并通过组合梁、加固拱原理、围岩松动圈理论，按照下列各参数计算公式来确定锚固的基本参数： 2.2.2.3 锚索支护参数确定
锚索支护参数主要包括锚索长度、强度以及关键部位原则三个方面。其中锚索长度有由巷道顶板岩性、岩体结构以及巷道工程尺寸决定的；锚索的强度则是由锚索根数和锚索之间的排距来决定的；关键部位原则主要是为了使锚索发挥出最好的效果，所以应设置在顶板的关键部位上[7]。
2.2.2.4 初步设计稳定性评价
由于巷道围岩的地质条件复杂，所以其设计结果会存在一定的局限性，为了保证初步设计能够顺利投入测试使用阶段，就需要对其稳定性进行评价。该项工作由计算机数值模拟来完成，通过对各种不同支护参数的分别模拟实验，从而选取最优的设计方案。
2.2.3 现场监测
将初始设计实施于井下后，需要进行及时的矿压监测，监测内容主要包括围岩表面位移情况、顶板离层以及锚杆荷载等方面。
2.2.4 信息反馈优化设计
信息反馈包括对监测数据的采集、处理、反馈以及分析，通过对数据的整理和加工，从而转化成为对围岩支护状态信息，然后将信息反馈给设计施工单位，以便对不合理的支护参数进行及时的调整，确保巷道支护的安全性和有效性[8]。
三 三软煤层巷道锚固支护技术的实用研究
3.1 工程概况
石嘴山二矿三煤层属于三软煤层，由于该煤层煤质过软，极易出现破碎的情况，使其支护工作变得十分困难，采取传统的支护方式对该煤层进行支护都未能取得成功，严重影响了该煤矿的生产效益。其中以2336工作面的三软回顺巷道支护难度最大，其巷道长度达1730米，巷道顶板、两侧煤帮松软，难以完成支护工作。其回顺断面形式为直墙圆拱形，墙高1.3米、款3米、拱高1.5米。
3.2 软岩类型判别
根据对2336工作面情况的实际勘察，发现其回顺深埋约为450米，经过理论公式计算得出该巷道开挖部位所承受的垂直自重应力为10.6Mpa。另外，该巷道内的泥质成分较少，且其节理发育较好，判断该区水平应力不大，因此主要问题应来自于自重应力。经过综合分析判断，该巷道工程岩体的坚硬系数∫在1.5～1.0之间，为极软岩体[9]。
3.3 支护方案设计
3.3.1 初次支护参数
根据对该巷道实际情况的理论计算及模拟分析，确定回风顺槽的初次支护参数如表三：
3.3.2 二次补强参数
3.3.2.1 二次补强参数
根据理论计算及数值模拟结果分析，对2336回风顺槽锚索二次耦合支护参数进行确定，确定参数如下：
3.3.2.2 关键部位确定
经过对2336回风顺槽关键部位的数值模拟，得出该顶板锚索支护的关键部位为顶板两肩部位。
3.4 支护效果及分析
通过对2336回风顺槽的锚杆锚固力及锚杆的工作状态的检测、顶板离层的监测、围岩松动圈测量等多方面工作的现场测试，结果证明对该巷道的支护参数是合理的，对巷道的稳定性评价结果也保证了巷道的安全运营[10]。
四 结论
本文在查阅大量软岩文献的基础上，对三软煤巷的特性以及锚固支护设计方法进行了论述与分析，并在此基础上以工程实例来对三软煤层巷道锚固支护技术进行了进一步研究。三软煤层是煤矿资源当中的重要组成部分，所以在煤炭资源开采过程中难免会遇到三软煤层，想要实现对三软煤层内煤炭资源的合理开发，做好对三软煤层的锚固支护工作是重要前提。为此，企业应根据对矿山的实际情况的分析，做出准确的三软煤层巷道锚固支护措施设计，严格按照施工设计来进行三软煤层巷道的锚固支护施工，从根本上提高三软煤层的锚固支护措施质量，在保证对三软煤层内煤矿资源合理开发的同时尽可能的提高煤炭资源开采安全，从而提高企业的经济效益和社会效益，为企业健康长足的发展打下良好而又坚实的基础。
[参考文献]
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[3]杨修强，刘全军，王海峰.浅析三软煤层联合支护技术的应用[J].工业设计，2011，12：129.
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[5]徐守仁，王红霞，张源源.软煤层巷道支护技术研究及应用[J].煤矿安全，2012，12：97-99.
[6]熊苡，崔义，徐进.三软煤层大断面综采开切眼一次成巷支护技术研究[J].煤炭工程，2013，01：37-39.
[7]孙扬，高建，刘文学.三软煤层巷道冒落机理及锚索桁架联合控制技术[J].西安科技大学学报，2013，03：254-258+264.
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[9]张建伟，孙子干.偃龙矿区三软煤层巷道底板注浆新型支护技术研究[J].中国高新技术企业，2013，10：129-130.
[10]刘宗超，高长志，陈云.白集煤矿深部“三软”煤层巷道支护技术[J].煤矿安全，2008，12：61-62.
本文来源：http://www.zhuodaoren.com/tuijian322514/
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