“三软”煤层回采巷道支护技术研究与实践

于 伟

（中电投山西铝业有限公司，山西 忻州034100）

“三软”煤层是指煤层及顶底板围岩强度较低的煤层。“三软”煤层因煤层及顶底板均为软弱围岩，煤层裂隙发育程度较高，煤体结构和形态较复杂〔1－2〕。开采实践表明，“三软”煤层回采巷道常会因围岩变形出现巷道顶板离层、底鼓和巷帮片冒现象。长期以来，“三软”煤层回采巷道支护问题一直是影响工作面安全、高效开采的重要因素〔3〕。梨园矿宁庄井所采煤层为山西组二1煤层，煤层顶底板为泥岩、砂质泥岩。该矿井工作面回采巷道先后采用U29和U36型钢可缩性支架均不能有效避免支架变形损坏和巷道收敛变形现象。为了保证工作面安全回采，矿井不得不组织专人对巷道进行翻修和维护。鉴于此，矿井组织技术攻关，通过增加锚杆支护技术有效地控制了回采巷道围岩变形问题。

1 回采巷道变形特征

1.1 工作面概况

试验巷道选用梨园矿宁庄井东一下山采区二1－21110综采工作面回采巷道，该工作面南邻二1－21090工作面采空区，北部为二1－21130工作面采空区，西北部为D梅庄－1断层，西部为采区三条下山，东部为井田保护煤柱。工作面平均采深为635m，所采煤层为山西组二1煤层，煤层均厚为3.5m，倾角为12°～26°，平均为22°，煤层普氏硬度f＝0.13～0.15，容重为1.39t／m3，煤层整体赋存疏松易碎，呈层状和块状，节理裂隙发育程度较高，属于松软不稳定煤层。工作面直接顶为均厚2.29m的灰黑色泥岩，基本顶为均厚6.85m的砂质泥岩～细粒砂岩，底板为均厚4.83m的深灰色泥岩～砂质泥岩，其中砂质泥岩以石英和岩屑为主，细粒砂岩以石英和长石为主。

1.2 巷道原支护方式及破坏特征

二1－21110工作面共布置机巷和风巷两条巷道，两巷均沿煤层顶板掘进，断面为半圆拱形，规格（宽×高）为4.1 m×3.3m，两巷支护方式均为半圆拱形U32型钢可缩性支架支护，支架棚距为0.6m，棚间采用金属连扳进行连锁固定。工作面投产后，两巷进行超前替棚，替棚后支护方式为单体柱配合圆木进行支护，圆木下方沿走向打设两趟托棚进行加固。在工作面回采期间，机、风两巷变形剧烈，尤其是动压区范围内巷道收敛量可达巷道设计断面的60%，为了保障工作面安全回采不得不进行巷道翻修和维护。为了掌握该工作面回采巷道变形破坏特征，采用“十字交叉”法对工作面机巷围岩变形规律进行实测，结果见图1。

由图1可知，二1－21110工作面机巷在回采期间收敛变形剧烈，尤其是在动压区范围内收敛率可达60%左右，巷道变形的主要形式为顶板下沉、底鼓和两帮收敛，其中顶板下沉量累计可达140mm，底鼓量可达460mm，两帮收敛量累计约为600mm，由此可知工作面机巷控制围岩变形的关键在于控制两帮和底板。根据巷道变形规律还可得知，机巷超前支承压力峰值在工作面煤壁前方10～12 m，采动影响范围为煤壁前方60m范围内，其中煤壁前方30m范围内为剧烈影响区。

图1 原支护方式下二1－21110工作面回采巷道变形规律

2 回采巷道变形机理分析

根据地质勘探资料，二1－21110工作面顶底板岩性为泥岩、砂质泥岩和少量细粒砂岩，顶底板岩层呈薄层状，煤体及围岩节理裂隙发育程度较高。根据物理岩性力学试验分析可知，细粒砂岩饱和单轴抗压强度为43.6～122.1 MPa，泥岩和砂质泥岩类饱和单轴抗压强度为4.6～13.2 MPa。机巷北部受到二1－21130工作面采空区和D梅庄－1断层的影响，顶板岩层较破碎，易在采动影响作用下出现坍塌和顶板冒漏；风巷南临二1－21090工作面采空区，且二1－21090工作面与风巷间煤柱仅6～8m，在采动影响和矿山压力作用下巷道收敛变形和破坏较剧烈。采用X衍射对顶底板围岩进行分析，结果显示，工作面顶底板泥岩和砂质泥岩均含有较高的高岭石、伊利石和蒙脱石等粘土成分，尤其是顶底板泥岩中含量高达64%～75%。粘土类泥岩遇水易发生水理作用，主要表现在与水作用后岩体发生软化和膨胀，岩体出现开裂、剥落和崩解泥化现象。现场发现，二1－21110工作面巷道两帮湿润，底板常有积水。分析认为水源主要来自顶板淋水和采空区积水渗进。顶底板岩层发生水理作用是引起二1－21110工作面巷道围岩变形的主要因素。此外，巷道的开挖会造成原岩应力重新分布，在此过程中巷道围岩发生形变并逐渐趋于稳定。矿山压力和回采扰动会进一步造成回采巷道的变形、失稳和破坏，且这种巷道破坏是随着回采过程呈反复循环状态。

3 支护方案的确定和实施

目前，“三软”煤层回采巷道支护方式主要有U型钢可缩性支架支护和“锚网索”支护两种，宁庄井曾在二1－21090工作面机巷外段试验“锚网索”支护，支护效果较差，难以满足安全回采要求；而U型钢可缩性支架属被动性支护，在回采期间常出现支架变形损坏，巷道严重收敛破坏现象〔4－5〕。分析认为，对于“三软”煤层工作面回采巷道采用单一的巷道支护方式难以有效控制巷道变形，故决定采用“锚网＋U型钢支架”进行联合支护对二1－21110工作面回采巷道进行控制。该支护方式的优点在于：① 锚杆和可缩性U型钢支架可一定程度的释放巷道围岩变形能，避免巷道围岩出现剪切破坏；② 锚杆支护可利用其预紧力提高巷道围岩的整体性和自承载能力，实现巷道的载荷均匀分布；③U型钢支架强度高，能够适应松软煤层回采巷道的载荷和变形，巷道断面利用率高。

根据现场实际和相邻矿井支护经验设计支护参数：可缩性U32型钢支架棚距为600mm，选用无纵筋左螺旋预应力锚杆，锚杆规格Φ22×2200mm，间排距为1200mm×1200m，采用12＃铁丝，规格3000mm×650mm的金属网进行护帮和护顶。为了防止U型钢支架腿子向巷道中别出，决定在距底板400mm处打设锁腿锚杆，由2根Φ22×1600mm锚杆配合卡兰加固U型钢腿子以防腿子别出。优化支护方案见图2。

图2 二1－21110工作面优化支护方案示意

为了掌握该新支护工艺下二1－21110工作面回采巷道变形规律，采用“十字交叉”法进行现场实测，将实测数据绘制成图（见图3）。由图3可知，采用“锚杆＋U型钢支架”同时配合锁腿锚杆后，回采巷道在距离煤壁70m外基本保持稳定，在煤壁前方70m范围内随着与煤壁距离逐渐减小巷道变形有增大趋势，具体为：顶板下沉量累计可达36mm，底鼓量可达145mm，两帮收敛量累计约为260 mm；围岩变形主要发生在煤壁前方20m范围内，变形量约占总变形量的72%、57%和73%。通过分析可知，在新支护工艺下，巷道围岩得到了有效控制，支护效果较好，可在梨园矿各生产矿井推广应用。

图3 新支护形式下二1－21110工作面回采巷道变形规律

4 结语

“三软”煤层回采巷道因受地质条件、围岩特性、采动影响和不合理支护方式等因素的影响易出现变形、失稳和破坏，采用“锚网＋可缩性U型钢支架”是主动支护与被动支护的有机结合，可有效提高巷道围岩的整体性和自承载能力，抑制巷道变形和破坏，且可避免巷道开挖后在回采期间出现顶板结构的“二次松动”，能够满足工作面安全生产需要。另外，配合锁腿锚杆，可有效控制U型钢支架腿子向巷道中别出现象。该支护方式相对于“三软”煤层回采巷道单一支护方式具有明显的优越性，可在类似巷道中推广应用。

〔1〕孙平勇，李洪彪.三软煤层工作面矿压显现规律实测研究〔J〕.江西煤炭科技，2014，（3）：168－170.

〔2〕赵长红，张忠凝，张志智.“三软”煤层中回采巷道支护技术研究〔J〕.价值工程，2012，（19）：23－24.

〔3〕王江生，黄汉富.三软煤层巷道锚杆支护技术〔J〕.矿山压力与顶板管理，2000，（4）：31－33.

〔4〕覃 俊，黄庆亨，刘玉卫.石屏矿三软煤层回采巷道的破坏机制与支护研究〔J〕.矿业安全与环保，2011，38（3）：39－42.

〔5〕徐金海，诸化坤，石炳华，等.三软煤层巷道支护方式及围岩控制效果分析〔J〕.中国矿业大学学报，2004，33（1）：55－58.