“三軟”煤層回采巷道支護(hù)技術(shù)研究與實(shí)踐

于 偉

（中電投山西鋁業(yè)有限公司，山西 忻州034100）

“三軟”煤層是指煤層及頂?shù)装鍑鷰r強(qiáng)度較低的煤層?！叭洝泵簩右蛎簩蛹绊?shù)装寰鶠檐浫鯂鷰r，煤層裂隙發(fā)育程度較高，煤體結(jié)構(gòu)和形態(tài)較復(fù)雜〔1－2〕。開采實(shí)踐表明，“三軟”煤層回采巷道常會(huì)因圍巖變形出現(xiàn)巷道頂板離層、底鼓和巷幫片冒現(xiàn)象。長期以來，“三軟”煤層回采巷道支護(hù)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?shù)装鍨槟鄮r、砂質(zhì)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(xiàn)象。為了保證工作面安全回采，礦井不得不組織專人對(duì)巷道進(jìn)行翻修和維護(hù)。鑒于此，礦井組織技術(shù)攻關(guān)，通過增加錨桿支護(hù)技術(shù)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(yàn)巷道選用梨園礦寧莊井東一下山采區(qū)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(qū)，北部為二1－21130工作面采空區(qū)，西北部為D梅莊－1斷層，西部為采區(qū)三條下山，東部為井田保護(hù)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(jié)理裂隙發(fā)育程度較高，屬于松軟不穩(wěn)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(zhì)泥巖～細(xì)粒砂巖，底板為均厚4.83m的深灰色泥巖～砂質(zhì)泥巖，其中砂質(zhì)泥巖以石英和巖屑為主，細(xì)粒砂巖以石英和長石為主。

1.2 巷道原支護(hù)方式及破壞特征

二1－21110工作面共布置機(jī)巷和風(fēng)巷兩條巷道，兩巷均沿煤層頂板掘進(jìn)，斷面為半圓拱形，規(guī)格（寬×高）為4.1 m×3.3m，兩巷支護(hù)方式均為半圓拱形U32型鋼可縮性支架支護(hù)，支架棚距為0.6m，棚間采用金屬連扳進(jìn)行連鎖固定。工作面投產(chǎn)后，兩巷進(jìn)行超前替棚，替棚后支護(hù)方式為單體柱配合圓木進(jìn)行支護(hù)，圓木下方沿走向打設(shè)兩趟托棚進(jìn)行加固。在工作面回采期間，機(jī)、風(fēng)兩巷變形劇烈，尤其是動(dòng)壓區(qū)范圍內(nèi)巷道收斂量可達(dá)巷道設(shè)計(jì)斷面的60%，為了保障工作面安全回采不得不進(jìn)行巷道翻修和維護(hù)。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(duì)工作面機(jī)巷圍巖變形規(guī)律進(jìn)行實(shí)測，結(jié)果見圖1。

由圖1可知，二1－21110工作面機(jī)巷在回采期間收斂變形劇烈，尤其是在動(dòng)壓區(qū)范圍內(nèi)收斂率可達(dá)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(jì)可達(dá)140mm，底鼓量可達(dá)460mm，兩幫收斂量累計(jì)約為600mm，由此可知工作面機(jī)巷控制圍巖變形的關(guān)鍵在于控制兩幫和底板。根據(jù)巷道變形規(guī)律還可得知，機(jī)巷超前支承壓力峰值在工作面煤壁前方10～12 m，采動(dòng)影響范圍為煤壁前方60m范圍內(nèi)，其中煤壁前方30m范圍內(nèi)為劇烈影響區(qū)。

圖1 原支護(hù)方式下二1－21110工作面回采巷道變形規(guī)律

2 回采巷道變形機(jī)理分析

根據(jù)地質(zhì)勘探資料，二1－21110工作面頂?shù)装鍘r性為泥巖、砂質(zhì)泥巖和少量細(xì)粒砂巖，頂?shù)装鍘r層呈薄層狀，煤體及圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育程度較高。根據(jù)物理巖性力學(xué)試驗(yàn)分析可知，細(xì)粒砂巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度為43.6～122.1 MPa，泥巖和砂質(zhì)泥巖類飽和單軸抗壓強(qiáng)度為4.6～13.2 MPa。機(jī)巷北部受到二1－21130工作面采空區(qū)和D梅莊－1斷層的影響，頂板巖層較破碎，易在采動(dòng)影響作用下出現(xiàn)坍塌和頂板冒漏；風(fēng)巷南臨二1－21090工作面采空區(qū)，且二1－21090工作面與風(fēng)巷間煤柱僅6～8m，在采動(dòng)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(duì)頂?shù)装鍑鷰r進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，工作面頂?shù)装迥鄮r和砂質(zhì)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?shù)装迥鄮r中含量高達(dá)64%～75%。粘土類泥巖遇水易發(fā)生水理作用，主要表現(xiàn)在與水作用后巖體發(fā)生軟化和膨脹，巖體出現(xiàn)開裂、剝落和崩解泥化現(xiàn)象。現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，二1－21110工作面巷道兩幫濕潤，底板常有積水。分析認(rèn)為水源主要來自頂板淋水和采空區(qū)積水滲進(jìn)。頂?shù)装鍘r層發(fā)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(huì)造成原巖應(yīng)力重新分布，在此過程中巷道圍巖發(fā)生形變并逐漸趨于穩(wěn)定。礦山壓力和回采擾動(dòng)會(huì)進(jìn)一步造成回采巷道的變形、失穩(wěn)和破壞，且這種巷道破壞是隨著回采過程呈反復(fù)循環(huán)狀態(tài)。

3 支護(hù)方案的確定和實(shí)施

目前，“三軟”煤層回采巷道支護(hù)方式主要有U型鋼可縮性支架支護(hù)和“錨網(wǎng)索”支護(hù)兩種，寧莊井曾在二1－21090工作面機(jī)巷外段試驗(yàn)“錨網(wǎng)索”支護(hù)，支護(hù)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(dòng)性支護(hù)，在回采期間常出現(xiàn)支架變形損壞，巷道嚴(yán)重收斂破壞現(xiàn)象〔4－5〕。分析認(rèn)為，對(duì)于“三軟”煤層工作面回采巷道采用單一的巷道支護(hù)方式難以有效控制巷道變形，故決定采用“錨網(wǎng)＋U型鋼支架”進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)對(duì)二1－21110工作面回采巷道進(jìn)行控制。該支護(hù)方式的優(yōu)點(diǎn)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(xiàn)剪切破壞；② 錨桿支護(hù)可利用其預(yù)緊力提高巷道圍巖的整體性和自承載能力，實(shí)現(xiàn)巷道的載荷均勻分布；③U型鋼支架強(qiáng)度高，能夠適應(yīng)松軟煤層回采巷道的載荷和變形，巷道斷面利用率高。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際和相鄰礦井支護(hù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)：可縮性U32型鋼支架棚距為600mm，選用無縱筋左螺旋預(yù)應(yīng)力錨桿，錨桿規(guī)格Φ22×2200mm，間排距為1200mm×1200m，采用12＃鐵絲，規(guī)格3000mm×650mm的金屬網(wǎng)進(jìn)行護(hù)幫和護(hù)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(shè)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(yōu)化支護(hù)方案見圖2。

圖2 二1－21110工作面優(yōu)化支護(hù)方案示意

為了掌握該新支護(hù)工藝下二1－21110工作面回采巷道變形規(guī)律，采用“十字交叉”法進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，將實(shí)測數(shù)據(jù)繪制成圖（見圖3）。由圖3可知，采用“錨桿＋U型鋼支架”同時(shí)配合鎖腿錨桿后，回采巷道在距離煤壁70m外基本保持穩(wěn)定，在煤壁前方70m范圍內(nèi)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(jì)可達(dá)36mm，底鼓量可達(dá)145mm，兩幫收斂量累計(jì)約為260 mm；圍巖變形主要發(fā)生在煤壁前方20m范圍內(nèi)，變形量約占總變形量的72%、57%和73%。通過分析可知，在新支護(hù)工藝下，巷道圍巖得到了有效控制，支護(hù)效果較好，可在梨園礦各生產(chǎn)礦井推廣應(yīng)用。

圖3 新支護(hù)形式下二1－21110工作面回采巷道變形規(guī)律

4 結(jié)語

“三軟”煤層回采巷道因受地質(zhì)條件、圍巖特性、采動(dòng)影響和不合理支護(hù)方式等因素的影響易出現(xiàn)變形、失穩(wěn)和破壞，采用“錨網(wǎng)＋可縮性U型鋼支架”是主動(dòng)支護(hù)與被動(dòng)支護(hù)的有機(jī)結(jié)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(xiàn)頂板結(jié)構(gòu)的“二次松動(dòng)”，能夠滿足工作面安全生產(chǎn)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(xiàn)象。該支護(hù)方式相對(duì)于“三軟”煤層回采巷道單一支護(hù)方式具有明顯的優(yōu)越性，可在類似巷道中推廣應(yīng)用。

〔1〕孫平勇，李洪彪.三軟煤層工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律實(shí)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(hù)技術(shù)研究〔J〕.價(jià)值工程，2012，（19）：23－24.

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

〔4〕覃 俊，黃慶亨，劉玉衛(wèi).石屏礦三軟煤層回采巷道的破壞機(jī)制與支護(hù)研究〔J〕.礦業(yè)安全與環(huán)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(hù)方式及圍巖控制效果分析〔J〕.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，33（1）：55－58.