3417 工作面沿空留巷松软围岩变形规律及围岩控制研究

翟晓飞

（山西新元煤炭有限责任公司，山西 晋中 030600）

1 工程概况

山西阳煤集团新元煤业公司3417 工作面位于3#煤层西区，工作面南邻西辅运巷，东邻未开采的3303 工作面，北邻3306 工作面采空区，西邻3416工作面采空区，如图1 所示。工作面主采3#煤层，煤层均厚为2.35m，平均倾角为6°。煤层直接顶为砂质泥岩，均厚8.94m；基本顶为粉砂岩，均厚为2.4m；直接底为泥质砂岩，均厚为2.95m；基本底为细砂岩，均厚为1.6m。

3417 工作面辅助进风巷沿煤层顶板掘进，巷道掘进宽度为4.8m，掘进高度为3.0m，巷道作为沿空留巷的巷道。由于3#煤层较为松软，煤层直接顶为较为松软的厚层砂质泥岩，底板为泥岩，两种岩层均具有膨胀性和可塑性等特征，在采动影响下，沿空留巷巷道松软围岩存在着围岩变形量大、顶板易冒顶和支护难度大等问题。为保障沿空留巷围岩的稳定，进行沿空留巷围岩控制技术的分析。

图1 3417 工作面位置示意图

2 沿空留巷变形规律

为有效分析松软围岩沿空留巷作业时，在采动影响下围岩的变形特征，对比分析松软围岩与中硬及硬度围岩之间围岩变形特征之间的区别，采用FLAC3D数值模拟软件，根据3417 工作面的具体地质条件，建立长×宽×高=152.6m×300m×61.5m的模型。固定模型底板及两侧边的位移，在模型上部施加上覆岩层的等效载荷[1-2]，约为10MPa 的垂直应力。模拟时，依次进行巷道开挖、工作面回采及充填体筑墙作业。在沿空留巷超前工作面30m 的位置处设置测线。

在进行松软、中硬和硬围岩沿空留巷围岩变形特征模拟分析时，通过调整煤层顶底板岩层的各项力学参数进行。具体不同围岩条件下岩层物理力学参数赋值存在差异的岩层如表1 所示。

表1 不同围岩条件下岩层物理力学参数差异表

根据不同围岩条件下围岩变形的数值模拟结果，能够得出在超前工作面30m 位置处围岩变形的具体情况，绘制出不同围岩条件下顶板下沉、底板鼓起、煤柱帮水平位移和充填体水平位移量。具体围岩变形量-距工作面距离的曲线如图2 所示。

通过分析图2 可知，沿空留巷在不同围岩的采动影响下，巷道围岩的变形量存在着明显的差异，围岩的变形量表现为硬围岩的变形量<中硬围岩的变形量<松软围岩的变形量。

根据图2（a）可知，松软围岩留巷在采动影响下，从超前工作面30m 的位置处顶板下沉量开始逐渐增大，随着回采作业的进行，顶板下沉量和下沉速率均逐渐增大。当留巷滞后工作面10 ～50m时，顶板下沉速率达到最大值，当留巷滞后工作面50～90m 时，此时留巷的顶板下沉量逐渐趋于稳定。中硬围岩与硬围岩呈现出相同的变形特征。留巷在超前工作面30m 的范围内，围岩变形量较小，留巷顶板下沉速率同样在滞后工作面10～50m 时达到最大值，在滞后工作面70m 后，顶板下沉速率逐渐减小，其中中硬围岩最大的顶板下沉量为0.35m，硬围岩的最大顶板下沉量为0.17m。

图2 不同围岩条件下沿空留巷围岩变形特征

根据图2（b）可知，松软围岩条件下，留巷围岩在超前工作面30m 时，底板开始出现底鼓现象，当留巷滞后工作面20m 范围内，此时底板鼓起量逐渐增大，变形速率逐渐增大，滞后工作面20 ～50 时，底板鼓起速率逐渐减小，在滞后工作面80m 时达到稳定，最大值为0.39m。中硬围岩与硬围岩在超前工作面30m 范围内底鼓量较小，底鼓主要发生在滞后工作面30～50m 范围内，在滞后工作面60m 时，底鼓量达到稳定。中硬围岩与硬围岩的最大底鼓量分别为0.397m 和0.178m。

根据图2（c）和2（d）可知，不同围岩条件下煤柱帮水平位移及充填体水平位移呈现出相同的变化趋势。煤柱帮的水平位移主要出现在超前工作面30m 至滞后工作面30m 的范围内，充填体的水平位移主要出现在滞后工作面0 ～60m 的范围内，且松软围岩煤柱帮及充填体的水平位移量明显大于中硬围岩和硬围岩。随着围岩强度的增大，煤柱帮及充填体的水平位移出现逐渐减小的趋势。

3 围岩控制技术

3.1 支护方案

根据上述不同围岩条件下沿空留巷围岩的变形特征知，巷道在松软围岩的条件下，顶底板变形量较大，煤柱帮及充填体帮的围岩变形量也比中硬及硬围岩条件下的变形量大。基于此，可知支护的重点为巷道顶板及煤柱帮，应加强顶板及煤柱帮的支护强度，决定采用高强度、高预紧力的锚杆支护体系[3-4]。具体的支护方案如下：

（1）基本支护

顶板支护：锚杆采用Φ20mm×2400mm 的高强度螺纹钢锚杆，间排距为800mm×900mm，采用端头锚固，锚杆预紧力矩为250N·m，两顶角的锚杆与顶板成15°布置，其余锚杆均垂直于巷道顶板布置。顶板锚索采用Φ21.6mm×10300mm 的1×7 股钢绞线，间排距为1600mm×900mm，采用端头锚固，锚索预紧力为240kN，锚杆索间通过Φ14mm 钢筋焊制的钢筋梯子梁进行连接，并挂设菱形金属网进行护顶。

帮部支护：巷帮锚杆与顶板锚杆型号、参数相同，间排距为900mm×900mm，采用端头锚固，锚杆预紧力为250N·m，帮部锚杆间同样采用Φ14mm钢筋焊制的钢筋梯子梁进行连接，菱形金属网进行护帮。

（2）补强支护

为充分保障巷道顶板及煤柱帮的稳定性，在原有支护方案的基础上，顶板补设3 根锚索。锚索规格为Φ21.6mm×8300mm 的预应力混凝土钢绞线，顶板补强锚索每排布置3 根，间排距为1750mm×1800mm， 预 紧 力 为240kN。 煤 柱帮补强锚索采用规格为Φ17.8mm×4200mm 的预应力混凝土钢绞线，每排布置2 根，间排距为1200mm×1800mm，锚索预紧力为140kN。同时在煤柱帮底角处补设一根锚杆，与巷帮成15°布置，锚杆规格为Φ20mm×2400mm高强度螺纹钢锚杆，预紧力为250kN。

具体3417 工作面辅助进风巷补强支护后的断面图如图3 所示。

图3 3417 辅助进风巷补强支护后断面图

（3）充填体支护

3417 工作面松软围岩沿空留巷作业时，采用高水充填材料设置充填体，材料的水灰比为1.5:1，该水灰比下的材料强度为10MPa，设置充填体的宽度为2m。为保障充填体的稳定性，在充填体上设置钢筋网、对拉锚杆及钢筋梯子梁。对拉锚杆规格为Φ20mm×2400mm，对拉锚杆间排距为750mm×800mm。具体充填体的支护方式如图4所示。

图4 巷旁充填体支护方式示意图

3.2 效果分析

为验证分析3417 工作面松软围岩沿空留巷作业的控制效果，在3417 工作面回采期间，在回采工作面对应的留巷位置处布置矿压监测站，进行持续矿压监测作业，得出图5。

图5 回采期间留巷围岩变形曲线图

分析图5 可知，顶底板的变形主要发生在滞后工作面150m 的范围内。当留巷监测断面滞后工作面150m 时，顶底板移近量达343mm。随着回采作业的进行，顶底板变形速率逐渐减慢。当留巷滞后工作面400m 时，顶底板移近量基本不再增大。留巷两帮移近量主要发生在滞后工作面400mm 范围内，其中在滞后工作面200 ～300m 的范围内，两帮移近速率较大，在滞后工作面500m 后，两帮移近量达到稳定状态，最终顶底板及两帮最大移近量分别为452mm 和224mm。

4 结论

根据3417 工作面的沿空留巷松软围岩的具体条件，具体分析了不同围岩条件下留巷围岩的变形特征，得出围岩在松软条件下围岩变形的具体特征，确定留巷期间应加强对巷道煤柱帮及顶板的控制，并对具体支护方案进行设计。根据矿压监测结果知，回采期间留巷顶底板及两帮最大移近量分别为452mm和224mm，保障了沿空留巷松软围岩的稳定。