东 一（13-1）采 区 液 压 支 架 选 型
表4-1-7（2） 钻 孔 号 项 目 顶板级类（级、类） 岩 性 底 板 单轴抗压强度(MPa) 容许单轴抗压强度(MPa) 底板类型（类） 适合顶板架型 适合底板架型 适合采区架型 121 Ⅱ1 泥岩 16.0 12.0 Ⅲa 掩护 掩护或支掩 162 Ⅱ1 炭质泥岩(0.25) 砂质泥岩 16.0 12.0 Ⅲa 掩护 掩护或支掩 二十65 Ⅲ1 鲕状泥岩 16.0 12.0 Ⅲa 支掩 掩护或支掩 二十32 Ⅱ1 砂质泥岩 45.2 33.9 Ⅳ 掩护 架型不限 116 Ⅲ2 砂质泥岩 45.2 33.9 Ⅳ 支掩 架型不限 117 Ⅱ2 含炭质泥岩 16.0 12.0 Ⅲa 掩护 架型不限 二柱掩护式 21
6、结合某个工程实际进行巷道支护设计。（20分） 答：1. 引言
华蓥山煤业李子垭煤矿南二井位于四川省邻水县境内，主采煤层K煤层，煤层倾角43°~83°，平均倾角约45°左右，回采巷道断面采用异形（五边形），沿顶板并破底板掘进。巷道支护采用“金属支架+锚杆（索）+金属网+钢筋梯子板”联合支护，但是由于巷道围岩条件复杂，施工人员对于支护方式的认识和熟练程度以及支护参数和施工工艺等方面原因，致使巷道支护效果不理想，顶板风化脱落，巷道收敛量较多，断面成形较差，帮角处托板陷入顶板进而使锚杆支护失效。为保证巷道稳定性，在巷道顶板下沉量较多、巷道收敛量较大段采用二次“锚杆+金属梁”加强支护，从而使生产成本和支护工程量增加。 2.巷道支护的复杂地质条件和围岩破坏
李子垭南二井3102采区回采巷道所处地层为晚二叠系上统龙潭组煤系地层，煤岩柱状图见图1，巷道围岩主要由泥岩底板、煤层和巨厚薄层状复合顶板组成，顶板为黑灰色泥岩、砂质泥岩、泥岩粉砂岩互层（局部为细砂岩），总厚度8~12m。围岩硬度较小，硬度系数f=1.9~2.1，岩石硬度较低，可用手从掘进工作面取下岩石并轻易折断，层理、节理和裂隙发育，易氧化剥落呈破碎状，遇水极易发生水解、泥化、软化和膨胀。破岩成巷时，坡顶软煤部位大范围漏冒抽顶，3102南风巷(南)掘进面冒空范围达4m之多，绞顶难度均较大、工作量多，巷道成形困难，掘进施工进度缓慢。
锚杆支护施工过程中，锚杆孔与顶板不垂直，以致于托板安装后螺栓孔对锚杆形成剪切作用，围岩移动后致使锚杆拉断，从而造成大量的锚杆支护失效，增加了生产成本和支护工作量。由于接触面积小、比压大，顶板位移后大量板托、钢筋梯子梁陷入顶板，对顶板破坏严重，加剧了巷道变形。由于锚杆支护效果不理想，破碎顶板岩块掉落形成网兜，缩小了巷道面积，甚至影响正常运输。
巷道顶板层理发育（厚度约1cm）、厚度大（近8~12m），且多为黑灰色泥岩、砂质泥岩、泥岩粉砂岩互层（局部为细砂岩），顶板岩层内部易发生离层，形成假顶，这种潜在的顶板危岩一旦冒落，将造成严重的顶板事故，给以后安全回采造成严重的安全隐患。 3.巷道破坏机理分析
(1) 巷道围岩岩性为泥岩，且松散、破碎，节理、层理和裂隙发育，易风化、水解、膨胀和软化，岩体和岩块强度均很低(<25MPa)，属于典型的低强度软岩，或称膨胀性软岩。
(2) 巷道掘进采用钻眼爆破法破岩和支护施工工艺不合理。原方案采用破顶掘进，破坏顶板完整性，增加了支护难度；巷道掘进时多次的放炮震动加剧了软岩顶板的破坏；支护施工中锚杆孔与顶板不能保持垂直，致使大量锚杆托板不能贴紧顶板岩层面，无法施加预紧力，不能及时、主动支护巷道围岩从而造成大量锚杆失效，甚至切断。因而，必须改进支护施工工艺。
(3) 锚杆支护参数和支护施工工艺不合理。必须针对巷道围岩松散、破碎、强度低，易风化的特性采取相应的支护措施，如超前锚杆支护，超前注浆，临时支护、初喷支护、锚注支护、联合支护和二次支护等。
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地 层 单 位 (组)代岩性柱状1:200 号累计岩 性 描 述深灰色石灰岩，上部夹一层灰黑色泥岩，富含腕足类动物化石。龙LP 15.0522褐灰色粉砂岩，厚1.0米；Κ煤层，厚0.19米，灰黑色泥岩，厚3.32米。4.55深灰色石灰岩，厚0.31米；灰黑色泥岩，厚 2.21米； 灰色石岩（俗称小铁板）， 厚0.74米。3.26潭LP 216.69灰黑色泥岩，砂质泥岩、泥岩粉砂岩互层，局部为细砂岩。含黄铁矿结核及植物化石。具清晰的水平层理及微波壮层理。此类顶板属1-2类顶板，较难管理。Κ煤层，其结构：0.72（0.36）0.60（0.04）0.56米。2.334.19黑色泥岩，厚0.63米，褐灰色泥岩，厚0.74米，浅灰色细至中粒砂岩，厚2.82米。组2.78黑灰色泥岩，厚0.86米，上部为灰白色粘土岩，灰白色粘土岩，厚0.41米，深灰色泥岩，厚1.51米。6.33深灰色石灰岩，厚1.11米；绿灰色铝质泥岩，厚2.10米紫红色铁质泥岩，厚2.02米，绿灰色铝质泥岩，厚0.45米；黄铁矿层，厚0.65米。图1 煤岩综合柱状 Fig.1 Geologic column of coal seam and rock stratum
4.大倾角软顶软煤回采巷道支护特点
(1) 大倾角软顶软煤回采巷道围岩变形和破坏特征存在其特殊性，主要表现为巷道围岩变形和破坏在同一断面内有明显的非对称或不均衡特性，通常是靠顶板(帮)侧的围岩变形较大。因此，局部的冒顶大多出现在该侧的“帮—顶”范围内。这种现象的内在原因是围岩一方面受到了较大的非对称荷载作用，另一方面是支护体特性与围岩位移特征不相适应。
(2) 当煤(岩)层倾角较大(>70°)且分层厚度较小(<20cm)时，煤(岩)层类似于上下两端受约束和垂直压力的纵向板系压弯失稳结构，因此巷道一侧的顶(帮)的水平位移较大，易发生鼓帮，致使岩层和支护体折断破坏。巷道经受多次反复的扰动影响，其峰值应力远远大于原岩应力。
(3) 由于薄分层破碎顶板易风化脱落、遇水软化，因此软岩巷道开挖后要避免环境因素影响，应及时密闭围岩，尽量保持围岩的原始特性，可以采取喷射混凝土提高围岩的粘结力和强度，同时封闭了围岩，防止因为水和风化作用造成的破坏和剥落，保证巷道围岩安全。
(4) 大倾角软顶软煤回采巷道四周来压，包括顶压、侧压、还有底压，往往出现一定量的底鼓，因此不仅要加强顶板和两帮的支护，还要加强对巷道底板的支护，防止底鼓。
(5) 大倾角软顶软煤回采巷自承能力低，大部分上覆岩层的压力由巷道围岩承担，只有松动范围内岩体压力由支护体系承担。因而，必须改善巷道围岩的赋存环境和承载能力，可以通过岩体注浆加固或锚喷支护等来实现。对于多次修复的巷道，围岩松动范围极大，承载能力极低，尤其要提高围岩岩体强度，提高围岩自身承载能力。
因而，在进行大倾角软顶软煤回采巷支护方案设计时，应综合考虑倾角、软顶软煤这两方面的特点，保证支护方案的可行性和有效性。 5.巷道支护方案与支护参数确定
针对李子垭南二井大倾角软顶软煤回采巷道围岩的工程地质条件、支护现状和破坏情况，研究决定采用超前管棚支护坡顶部位软煤、注水泥砂浆加固煤体的方案；巷道掘进成形后采用“锚杆（索）+大托板+金属网+W型钢带“联合支护，最后喷射混凝土支护。
该支护方案的支护结构如图2所示，具体支护参数和掘进工艺如下：
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212900370°66024410000802520°20°20°10°25002500500975020002500图2 巷道支护体系结构图 1-顶板锚杆；2-锚索；3-金属网；4-W型钢带；5-混凝土喷层；6-帮部锚杆
Fig.2 Graph structure of supporting system
(a) (b) 锚杆托板（1）超前管棚注浆支护：超前管棚选用?20mm×2000mm的PVC管，两根对接使用。通
过预先打钻孔插入煤体，间距200mm，仰角15°，通过PVC管向松软煤体内部注入水泥砂浆加固软煤；调整PVC管间距和仰角，并在PVC管外挂放铁丝可改善混凝土加固效果。
（2）锚杆（索）：顶板采用?20mm×2500mm树脂锚杆，间排距为800mm×800mm，端头锚固，每根锚杆使用一根长度为600mm的树脂锚固剂锚固。断层及顶板破碎段锚杆间排距调整为800mm×800mm，锚杆安装时应该施加较大的预紧力，两帮采用?20mm×2000mm的树脂锚杆，排距为800mm，间距为1000mm，端头锚固，每根锚杆使用一根长度为600mm的树脂锚固剂锚固；为了增加组合拱承载结构的稳定性，利用锚索将其传递到深部稳定岩层，使深部稳定岩层共同承载，锚索使用?20mm的钢绞线锚索，长度7300mm，每断面顶板位置布置一根，锚索间距3000mm，端头锚固，沿着巷道轴线方向布置，每根锚索使用两根长度为600mm的树脂锚固剂锚固。
（3）大托板、金属网和W型钢带：采用BHT-A型托板，为减小托板对顶板的压剪作用，扩大托板尺寸，锚杆托板规格为200mm×200mm×15mm，锚索托板规格为300mm×300mm×20mm，如图3所示；顶板及两帮铺设菱形网，由?3mm镀锌铁丝编制而成，规格2000mm×1700mm，网孔尺寸为100mm×100mm；矿用W型钢带（宽度220mm，厚度3mm）是锚杆支护系统的关键构建，可以将单根锚杆起来连接组成一个整体承载结构，提高锚杆支护的整体的效果。
（4）喷射混凝土：喷混凝土的厚度达到50mm~100mm为宜。 该支护方案具体施工工艺如下：
超前管棚注浆支护→爆破掘进→打顶板锚杆孔→挂金属网→装W型钢带→安装顶板锚杆→打帮部锚杆孔→挂帮部网→安装帮部锚杆→打锚索孔→安装锚索→喷射混凝土支护。
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锚索托板图3 锚杆托板与锚索托板规格
(a)锚杆托板 (b)锚索托板
（锚索托板也可以用两个厚度为8mm的托板叠加构成）950562000500
6.大倾角软顶软煤回采巷道支护的数值模拟分析
采用三维有限差分数值计算软件FLAC3D对巷道支护进行数值模拟分析，检验了李子垭南二井的大倾角软顶软煤回采巷道设计支护方案的合理性和可靠性。 6.1数值模型的建立
此次数值模拟作为空间问题处理，物理模型定位弹塑性模型，塑性屈服准则选用Mohr-Coulomb准则；为了消除边界效应，所建模型具有足够大的尺寸，模拟范围取开挖巷道跨距的10倍，开挖巷道处于模型中心；模型岩层划分与巷道实际所处层位岩层柱状一致；根据实际经验与采矿理论，上部边界施加上部岩层等效载荷，模型底部边界设为固定约束限制垂直移动，在模型前后和左右侧面边界设为水平约束限制水平位移；在模型上边界加载，水平应力根据分析问题的具体要求通过改变测压系数的方向进行施加；岩层力学参数通过位移反分析法求的；采用阶段分析方法。模拟原岩应力，开挖巷道，然后进行“锚杆（索）+金属网+W型钢带”支护，最后喷射混凝土支护。 6.2 数值计算结果分析
通过数值模拟计算，得到李子垭南二井大倾角软顶软煤回采巷道支护后的破坏变形态和力学特性。
支护后巷道围岩的破坏变形图，如图4（a）所示。采用设计的支护方案后，大倾角软岩巷道的最终顶板下沉量为14cm，两帮移近量为3.2cm，底鼓量为2.2cm，变形值均在安全范围内，达到了支护要求。 （a） （b） （c） （d）
图4 巷道支护数值模拟形态图
（a）围岩破坏变形（b）围岩最大主应力（c）围岩剪应力（d）巷道围岩垂直应力
Fig.4 supporting characteristic of numerical simulation
图4(b)、(c)、(d)显示巷道围岩最大主应力分布均匀，在巷道顶角处形成小范围的最大主应力集中区，最大主应力值0.075~0.225GPa；巷道帮角剪应力集中达到有效控制，剪应力主要分布在巷道顶帮；巷道垂直应力均匀分布在巷道两帮和顶帮，最大垂直应力0.125~0.198GPa。
7. 结论
通过研究，可得到以下结论：
（1）根据数值模拟，坡顶软煤部位易沿层理垮落，且有沿着层理倾向向深部围岩发展的趋势，应当作为支护的重点；采用“管棚+注浆”的支护方式基本解决了坡顶软煤部位的抽顶冒落问题，根据现场观测，3102南机巷软煤抽顶现象基本消失，局部松软煤体冒空高度小于20cm。
（2）采用“锚杆（索）+大托板+W型钢带+喷浆”支护复合顶板，可以充分发挥围岩的自承能力，提高围岩强度；大托板和W型钢带杜绝了锚杆托板、钢筋梯子板陷入顶板的现象，喷浆密闭了围岩减小了顶板的收敛变形，增加围岩稳定性。
（3）采用“锚杆（索）+大托板+W型钢带+喷浆”的支护方式，减少了巷道维修工作量，加快了掘进速度，取得了良好的技术经济效果，为采面安全高效生产创造了有利条件。
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