軟巖孤島工作面順槽失穩(wěn)機(jī)理分析及支護(hù)實(shí)踐

李小利

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)趙莊二號(hào)井，山西 長(zhǎng)治 046000）

軟巖巷道支護(hù)一直是礦井圍巖控制研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。軟巖巷道因圍巖強(qiáng)度低、自穩(wěn)性差、自承載能力低，尤其是受到采掘影響的作用，巷道變形受動(dòng)壓影響嚴(yán)重，往往需要二次甚至多次修復(fù)[1-2]。對(duì)于孤島工作面軟巖順槽而言，受到相鄰工作面和工作面自身開采作用，巷道變形會(huì)經(jīng)歷掘進(jìn)失穩(wěn)、回采失穩(wěn)和二次回采破壞等多次作用，順槽圍巖節(jié)理裂隙進(jìn)一步發(fā)育，強(qiáng)度和自承載能力進(jìn)一步降低，圍巖的完整性降低，造成在回采過程中易出現(xiàn)頂板冒漏現(xiàn)象，如若控制不及時(shí)會(huì)造成頂板事故的發(fā)生[3-4]。為了安全高效回采軟巖孤島工作面，有必要對(duì)軟巖孤島工作面圍巖特性進(jìn)行研究，并以此為依據(jù)提出合理的支護(hù)手段或支護(hù)方案?，F(xiàn)以趙莊二號(hào)井1307 工作面為研究對(duì)象進(jìn)行研究。

1 概況

1307 工作面位于一采區(qū)，煤層均厚5.36 m，平均傾角3°～5°，開采3#煤層，屬于穩(wěn)定可采厚煤層。工作面北側(cè)為礦界保護(hù)煤柱，南側(cè)為采區(qū)軌道大巷，西部為1301 工作面，東部為1305 工作面，屬于孤島工作面。工作面煤層直接頂為均厚4.6 m 的泥巖～砂質(zhì)泥巖，巖層節(jié)理裂隙發(fā)育，基本頂為均厚3.5 m 的砂質(zhì)泥巖～粉砂巖，直接頂和基本頂巖體整體抗壓強(qiáng)度為16.81 MPa，抗拉強(qiáng)度為0.84 MPa，抗剪強(qiáng)度為8.35 MPa，屬于較軟弱的巖層。工作面共布置兩條巷道，采用“一進(jìn)一回”上行通風(fēng)方式，兩巷均沿頂板掘進(jìn)，采用錨網(wǎng)索支護(hù)。

2 軟巖的基本特性

（1）強(qiáng)度較低。頂板以泥巖砂質(zhì)泥巖為主，粘土類物質(zhì)含量較高，節(jié)理裂隙發(fā)育程度較高，長(zhǎng)期裸露在空氣中易發(fā)生風(fēng)化，造成巖體進(jìn)一步破碎，強(qiáng)度進(jìn)一步降低。1307 工作面兩巷掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)可知，巷道受到臨近采空區(qū)影響，自穩(wěn)性較差，且自穩(wěn)時(shí)間相對(duì)較短，來壓時(shí)間偏短，如若不及時(shí)支護(hù)容易出現(xiàn)巷道頂板冒漏和巷道片幫現(xiàn)象。

（2）易于崩解。工作面頂板巖石中含有的粘土類物質(zhì)遇水易發(fā)生水理作用，致使巖石軟化、膨脹和崩解，具體表現(xiàn)在巷道的底鼓。1307 工作面局部受斷層影響，與上部含水層出現(xiàn)裂隙溝通，局部淋水嚴(yán)重，在此區(qū)域的巷道長(zhǎng)期受積水影響，該范圍內(nèi)底板巖石變形更為明顯，說明此處也是巷道支護(hù)的重點(diǎn)。

（3）流變明顯。軟巖巷道的特征之一就是流變特性，巖體產(chǎn)生流變特性的根本原因是圍巖受力超過圍巖強(qiáng)度導(dǎo)致。因流變特性的原因，巷道在開挖后，圍巖變形持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，巷道圍巖收斂變形較明顯。根據(jù)1307 工作面兩巷收斂變形觀測(cè)可知，巷道收斂變形一般可達(dá)3～4 個(gè)月，部分地段甚至可達(dá)6 個(gè)月以上，正是如此，1307 工作面順槽圍巖控制難度較大。

3 軟巖孤島工作面順槽失穩(wěn)機(jī)理分析

（1）圍巖應(yīng)力變化。巷道開挖后，應(yīng)力重新分布，進(jìn)而導(dǎo)致巷道失穩(wěn)，同時(shí)造成巷道圍巖向巷道中心移動(dòng)。在此過程中，巷道會(huì)經(jīng)歷穩(wěn)定→失穩(wěn)→相對(duì)穩(wěn)定的過程。在巷道圍巖變形過程中，若受到外力擾動(dòng)、水害侵蝕等作用，巷道變形會(huì)進(jìn)一步加劇。在巷道無有效支護(hù)和及時(shí)支護(hù)情況下，巷道嚴(yán)重變形，嚴(yán)重時(shí)會(huì)有頂板冒漏和煤壁片幫現(xiàn)象，加之受到斷層等構(gòu)造的影響，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。該區(qū)域最易出現(xiàn)頂板冒漏，也是支護(hù)關(guān)注的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

（2）巷道圍巖特性。通過軟巖基本特性分析可知，1307 工作面順槽頂板圍巖以泥巖和砂質(zhì)泥巖為主，巖體存在強(qiáng)度低、節(jié)理裂隙發(fā)育、自穩(wěn)定性差等特點(diǎn)。受到斷層等構(gòu)造的影響，巷道受影響范圍內(nèi)巖體會(huì)進(jìn)一步破壞，圍巖強(qiáng)度和完整性會(huì)進(jìn)一步下降。同時(shí)，泥巖和砂質(zhì)泥巖水理作用明顯，受到頂板淋水作用，頂板巖層進(jìn)一步遭受破壞，圍巖自穩(wěn)性進(jìn)一步降低，即使在常規(guī)支護(hù)的條件下也難以保證巷道的穩(wěn)定，此時(shí)應(yīng)采取特殊措施進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

（3）巷道布置條件。1307 工作面屬于孤島工作面，東西側(cè)均為采空區(qū)，兩條巷道為沿空掘進(jìn)，巷道在回采過程中受到工作面超前應(yīng)力和側(cè)壓的作用迅速發(fā)生變形和破壞，這種破壞一定程度的造成巷道支護(hù)體系的破壞。

（4）支護(hù)手段選擇。以往孤島工作面順槽支護(hù)形式過于單一，未能充分考慮到孤島工作面實(shí)際，在開采不同水平孤島工作面時(shí)均采用同一規(guī)格的支護(hù)形式，導(dǎo)致部分孤島工作面順槽支護(hù)效果較差，在孤島工作面開采前期即需要擴(kuò)幫和拉底來保證巷道斷面，造成大量的人力和物力浪費(fèi)。同時(shí)，支護(hù)形式不合理也給工作面安全回采埋下了隱患，不利于工作面和巷道現(xiàn)場(chǎng)安全管控。

4 軟巖巷道支護(hù)實(shí)踐

4.1 支護(hù)方案的確定

工作面順槽原設(shè)計(jì)方案為錨網(wǎng)索支護(hù)，具體參數(shù)：頂錨規(guī)格Φ20 mm×2200 mm，間排距750 mm×750 mm，錨固力不低于75 kN；頂錨索規(guī)格為Φ18.6 mm×6500 mm，間排距1500 mm×1500 mm，預(yù)緊力不低于120 kN；幫錨規(guī)格為Φ20 mm×2200 mm，間排距為750 mm×750 mm，錨固力不低于65 kN；金屬網(wǎng)采用網(wǎng)孔45 mm×45 mm 的菱形網(wǎng)。在原支護(hù)條件下，順槽在掘進(jìn)至工作面回采結(jié)束至少需要進(jìn)行三次擴(kuò)修。

為了提高支護(hù)效果，對(duì)順槽支護(hù)參數(shù)優(yōu)化，采用“中空注漿錨索+錨網(wǎng)梁”聯(lián)合支護(hù)方案。在巷道1000～1500 m 范圍內(nèi)進(jìn)行支護(hù)試驗(yàn)，具體是：在順槽布置幫錨索2 排，選擇Φ17.8 mm×4000 mm的中空注漿錨索，兩排錨索距離頂板分別為0.8 m和2.4 m，幫錨索間排距為1600 mm×1600 mm，頂錨和幫錨規(guī)格均為Φ20 mm×2600 mm，頂錨索規(guī)格為Φ21.6 mm×6500 mm，要求幫錨和頂錨錨固力不低于65 kN，頂錨索和幫錨索預(yù)緊力不低于120 kN。注漿錨索所配鋼梁由11#礦工鋼制作，梁長(zhǎng)600～800 mm。1307 工作面回風(fēng)順槽優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)具體如圖1。

圖1 1307 工作面回風(fēng)巷支護(hù)方式及參數(shù)示意圖

4.2 支護(hù)效果分析

為掌握1307 回風(fēng)順槽試驗(yàn)段在“中空注漿錨索+錨網(wǎng)梁”聯(lián)合支護(hù)條件下支護(hù)效果，進(jìn)行了巷道收斂變形實(shí)測(cè)。結(jié)果顯示：巷道開挖后5 d，巷道兩幫收縮為180 mm，10 d 后巷道兩幫收縮245 mm，20 d 后巷道兩幫收縮316 mm，30 d 后巷道兩幫收縮326 mm，之后巷道基本趨于穩(wěn)定，巷道兩幫收斂量為巷道設(shè)計(jì)尺寸的7%。巷道開挖后，頂?shù)装遄冃沃饕性陂_挖后10 d 范圍內(nèi)，平均為103 mm，之后底鼓逐漸減弱，至巷道開挖后30 d，底鼓量?jī)H為124 mm，約為設(shè)計(jì)斷面的3.5%。工作面回采期間，巷道收斂變形主要在工作面超前30 m 范圍內(nèi)，兩幫收斂量和底鼓量分別為515 mm 和267 mm，分別為設(shè)計(jì)斷面的10.7%和7.6%。由此可以看出，在“中空注漿錨索+錨網(wǎng)梁”聯(lián)合支護(hù)條件下，1307 工作面回風(fēng)順槽變形量在可控范圍內(nèi)，能夠保證有效巷道斷面要求，支護(hù)效果較好。

5 結(jié)語

合理選擇軟巖孤島工作面順槽支護(hù)形式是確保工作面安全高效回采的關(guān)鍵，在進(jìn)行軟巖孤島工作面順槽支護(hù)時(shí)，要掌握該順槽圍巖的基本特性和軟巖巷道發(fā)生失穩(wěn)的主要原因。另外，在進(jìn)行軟巖孤島工作面順槽支護(hù)實(shí)踐時(shí)，要制定專門的巷道變形觀測(cè)方案，及時(shí)掌握順槽支護(hù)的效果，并及時(shí)進(jìn)行支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化，以確保軟巖孤島工作面順槽支護(hù)的效果。