“三軟”煤層回采巷道支護技術研究與實踐

于 偉

（中電投山西鋁業有限公司，山西 忻州034100）

“三軟”煤層是指煤層及頂底板圍巖強度較低的煤層。“三軟”煤層因煤層及頂底板均為軟弱圍巖，煤層裂隙發育程度較高，煤體結構和形態較復雜〔1－2〕。開采實踐表明，“三軟”煤層回采巷道常會因圍巖變形出現巷道頂板離層、底鼓和巷幫片冒現象。長期以來，“三軟”煤層回采巷道支護問題一直是影響工作面安全、高效開采的重要因素〔3〕。梨園礦寧莊井所采煤層為山西組二1煤層，煤層頂底板為泥巖、砂質泥巖。該礦井工作面回采巷道先后采用U29和U36型鋼可縮性支架均不能有效避免支架變形損壞和巷道收斂變形現象。為了保證工作面安全回采，礦井不得不組織專人對巷道進行翻修和維護。鑒于此，礦井組織技術攻關，通過增加錨桿支護技術有效地控制了回采巷道圍巖變形問題。

1 回采巷道變形特征

1.1 工作面概況

試驗巷道選用梨園礦寧莊井東一下山采區二1－21110綜采工作面回采巷道，該工作面南鄰二1－21090工作面采空區，北部為二1－21130工作面采空區，西北部為D梅莊－1斷層，西部為采區三條下山，東部為井田保護煤柱。工作面平均采深為635m，所采煤層為山西組二1煤層，煤層均厚為3.5m，傾角為12°～26°，平均為22°，煤層普氏硬度f＝0.13～0.15，容重為1.39t／m3，煤層整體賦存疏松易碎，呈層狀和塊狀，節理裂隙發育程度較高，屬于松軟不穩定煤層。工作面直接頂為均厚2.29m的灰黑色泥巖，基本頂為均厚6.85m的砂質泥巖～細粒砂巖，底板為均厚4.83m的深灰色泥巖～砂質泥巖，其中砂質泥巖以石英和巖屑為主，細粒砂巖以石英和長石為主。

1.2 巷道原支護方式及破壞特征

二1－21110工作面共布置機巷和風巷兩條巷道，兩巷均沿煤層頂板掘進，斷面為半圓拱形，規格（寬×高）為4.1 m×3.3m，兩巷支護方式均為半圓拱形U32型鋼可縮性支架支護，支架棚距為0.6m，棚間采用金屬連扳進行連鎖固定。工作面投產后，兩巷進行超前替棚，替棚后支護方式為單體柱配合圓木進行支護，圓木下方沿走向打設兩趟托棚進行加固。在工作面回采期間，機、風兩巷變形劇烈，尤其是動壓區范圍內巷道收斂量可達巷道設計斷面的60%，為了保障工作面安全回采不得不進行巷道翻修和維護。為了掌握該工作面回采巷道變形破壞特征，采用“十字交叉”法對工作面機巷圍巖變形規律進行實測，結果見圖1。

由圖1可知，二1－21110工作面機巷在回采期間收斂變形劇烈，尤其是在動壓區范圍內收斂率可達60%左右，巷道變形的主要形式為頂板下沉、底鼓和兩幫收斂，其中頂板下沉量累計可達140mm，底鼓量可達460mm，兩幫收斂量累計約為600mm，由此可知工作面機巷控制圍巖變形的關鍵在于控制兩幫和底板。根據巷道變形規律還可得知，機巷超前支承壓力峰值在工作面煤壁前方10～12 m，采動影響范圍為煤壁前方60m范圍內，其中煤壁前方30m范圍內為劇烈影響區。

圖1 原支護方式下二1－21110工作面回采巷道變形規律

2 回采巷道變形機理分析

根據地質勘探資料，二1－21110工作面頂底板巖性為泥巖、砂質泥巖和少量細粒砂巖，頂底板巖層呈薄層狀，煤體及圍巖節理裂隙發育程度較高。根據物理巖性力學試驗分析可知，細粒砂巖飽和單軸抗壓強度為43.6～122.1 MPa，泥巖和砂質泥巖類飽和單軸抗壓強度為4.6～13.2 MPa。機巷北部受到二1－21130工作面采空區和D梅莊－1斷層的影響，頂板巖層較破碎，易在采動影響作用下出現坍塌和頂板冒漏；風巷南臨二1－21090工作面采空區，且二1－21090工作面與風巷間煤柱僅6～8m，在采動影響和礦山壓力作用下巷道收斂變形和破壞較劇烈。采用X衍射對頂底板圍巖進行分析，結果顯示，工作面頂底板泥巖和砂質泥巖均含有較高的高嶺石、伊利石和蒙脫石等粘土成分，尤其是頂底板泥巖中含量高達64%～75%。粘土類泥巖遇水易發生水理作用，主要表現在與水作用后巖體發生軟化和膨脹，巖體出現開裂、剝落和崩解泥化現象。現場發現，二1－21110工作面巷道兩幫濕潤，底板常有積水。分析認為水源主要來自頂板淋水和采空區積水滲進。頂底板巖層發生水理作用是引起二1－21110工作面巷道圍巖變形的主要因素。此外，巷道的開挖會造成原巖應力重新分布，在此過程中巷道圍巖發生形變并逐漸趨于穩定。礦山壓力和回采擾動會進一步造成回采巷道的變形、失穩和破壞，且這種巷道破壞是隨著回采過程呈反復循環狀態。

3 支護方案的確定和實施

目前，“三軟”煤層回采巷道支護方式主要有U型鋼可縮性支架支護和“錨網索”支護兩種，寧莊井曾在二1－21090工作面機巷外段試驗“錨網索”支護，支護效果較差，難以滿足安全回采要求；而U型鋼可縮性支架屬被動性支護，在回采期間常出現支架變形損壞，巷道嚴重收斂破壞現象〔4－5〕。分析認為，對于“三軟”煤層工作面回采巷道采用單一的巷道支護方式難以有效控制巷道變形，故決定采用“錨網＋U型鋼支架”進行聯合支護對二1－21110工作面回采巷道進行控制。該支護方式的優點在于：① 錨桿和可縮性U型鋼支架可一定程度的釋放巷道圍巖變形能，避免巷道圍巖出現剪切破壞；② 錨桿支護可利用其預緊力提高巷道圍巖的整體性和自承載能力，實現巷道的載荷均勻分布；③U型鋼支架強度高，能夠適應松軟煤層回采巷道的載荷和變形，巷道斷面利用率高。

根據現場實際和相鄰礦井支護經驗設計支護參數：可縮性U32型鋼支架棚距為600mm，選用無縱筋左螺旋預應力錨桿，錨桿規格Φ22×2200mm，間排距為1200mm×1200m，采用12＃鐵絲，規格3000mm×650mm的金屬網進行護幫和護頂。為了防止U型鋼支架腿子向巷道中別出，決定在距底板400mm處打設鎖腿錨桿，由2根Φ22×1600mm錨桿配合卡蘭加固U型鋼腿子以防腿子別出。優化支護方案見圖2。

圖2 二1－21110工作面優化支護方案示意

為了掌握該新支護工藝下二1－21110工作面回采巷道變形規律，采用“十字交叉”法進行現場實測，將實測數據繪制成圖（見圖3）。由圖3可知，采用“錨桿＋U型鋼支架”同時配合鎖腿錨桿后，回采巷道在距離煤壁70m外基本保持穩定，在煤壁前方70m范圍內隨著與煤壁距離逐漸減小巷道變形有增大趨勢，具體為：頂板下沉量累計可達36mm，底鼓量可達145mm，兩幫收斂量累計約為260 mm；圍巖變形主要發生在煤壁前方20m范圍內，變形量約占總變形量的72%、57%和73%。通過分析可知，在新支護工藝下，巷道圍巖得到了有效控制，支護效果較好，可在梨園礦各生產礦井推廣應用。

圖3 新支護形式下二1－21110工作面回采巷道變形規律

4 結語

“三軟”煤層回采巷道因受地質條件、圍巖特性、采動影響和不合理支護方式等因素的影響易出現變形、失穩和破壞，采用“錨網＋可縮性U型鋼支架”是主動支護與被動支護的有機結合，可有效提高巷道圍巖的整體性和自承載能力，抑制巷道變形和破壞，且可避免巷道開挖后在回采期間出現頂板結構的“二次松動”，能夠滿足工作面安全生產需要。另外，配合鎖腿錨桿，可有效控制U型鋼支架腿子向巷道中別出現象。該支護方式相對于“三軟”煤層回采巷道單一支護方式具有明顯的優越性，可在類似巷道中推廣應用。

〔1〕孫平勇，李洪彪.三軟煤層工作面礦壓顯現規律實測研究〔J〕.江西煤炭科技，2014，（3）：168－170.

〔2〕趙長紅，張忠凝，張志智.“三軟”煤層中回采巷道支護技術研究〔J〕.價值工程，2012，（19）：23－24.

〔3〕王江生，黃漢富.三軟煤層巷道錨桿支護技術〔J〕.礦山壓力與頂板管理，2000，（4）：31－33.

〔4〕覃 俊，黃慶亨，劉玉衛.石屏礦三軟煤層回采巷道的破壞機制與支護研究〔J〕.礦業安全與環保，2011，38（3）：39－42.

〔5〕徐金海，諸化坤，石炳華，等.三軟煤層巷道支護方式及圍巖控制效果分析〔J〕.中國礦業大學學報，2004，33（1）：55－58.