软岩孤岛工作面顺槽失稳机理分析及支护实践

李小利

（晋能控股煤业集团赵庄二号井，山西 长治 046000）

软岩巷道支护一直是矿井围岩控制研究的重点和难点。软岩巷道因围岩强度低、自稳性差、自承载能力低，尤其是受到采掘影响的作用，巷道变形受动压影响严重，往往需要二次甚至多次修复[1-2]。对于孤岛工作面软岩顺槽而言，受到相邻工作面和工作面自身开采作用，巷道变形会经历掘进失稳、回采失稳和二次回采破坏等多次作用，顺槽围岩节理裂隙进一步发育，强度和自承载能力进一步降低，围岩的完整性降低，造成在回采过程中易出现顶板冒漏现象，如若控制不及时会造成顶板事故的发生[3-4]。为了安全高效回采软岩孤岛工作面，有必要对软岩孤岛工作面围岩特性进行研究，并以此为依据提出合理的支护手段或支护方案。现以赵庄二号井1307 工作面为研究对象进行研究。

1 概况

1307 工作面位于一采区，煤层均厚5.36 m，平均倾角3°～5°，开采3#煤层，属于稳定可采厚煤层。工作面北侧为矿界保护煤柱，南侧为采区轨道大巷，西部为1301 工作面，东部为1305 工作面，属于孤岛工作面。工作面煤层直接顶为均厚4.6 m 的泥岩～砂质泥岩，岩层节理裂隙发育，基本顶为均厚3.5 m 的砂质泥岩～粉砂岩，直接顶和基本顶岩体整体抗压强度为16.81 MPa，抗拉强度为0.84 MPa，抗剪强度为8.35 MPa，属于较软弱的岩层。工作面共布置两条巷道，采用“一进一回”上行通风方式，两巷均沿顶板掘进，采用锚网索支护。

2 软岩的基本特性

（1）强度较低。顶板以泥岩砂质泥岩为主，粘土类物质含量较高，节理裂隙发育程度较高，长期裸露在空气中易发生风化，造成岩体进一步破碎，强度进一步降低。1307 工作面两巷掘进经验可知，巷道受到临近采空区影响，自稳性较差，且自稳时间相对较短，来压时间偏短，如若不及时支护容易出现巷道顶板冒漏和巷道片帮现象。

（2）易于崩解。工作面顶板岩石中含有的粘土类物质遇水易发生水理作用，致使岩石软化、膨胀和崩解，具体表现在巷道的底鼓。1307 工作面局部受断层影响，与上部含水层出现裂隙沟通，局部淋水严重，在此区域的巷道长期受积水影响，该范围内底板岩石变形更为明显，说明此处也是巷道支护的重点。

（3）流变明显。软岩巷道的特征之一就是流变特性，岩体产生流变特性的根本原因是围岩受力超过围岩强度导致。因流变特性的原因，巷道在开挖后，围岩变形持续时间较长，巷道围岩收敛变形较明显。根据1307 工作面两巷收敛变形观测可知，巷道收敛变形一般可达3～4 个月，部分地段甚至可达6 个月以上，正是如此，1307 工作面顺槽围岩控制难度较大。

3 软岩孤岛工作面顺槽失稳机理分析

（1）围岩应力变化。巷道开挖后，应力重新分布，进而导致巷道失稳，同时造成巷道围岩向巷道中心移动。在此过程中，巷道会经历稳定→失稳→相对稳定的过程。在巷道围岩变形过程中，若受到外力扰动、水害侵蚀等作用，巷道变形会进一步加剧。在巷道无有效支护和及时支护情况下，巷道严重变形，严重时会有顶板冒漏和煤壁片帮现象，加之受到断层等构造的影响，容易产生应力集中现象。该区域最易出现顶板冒漏，也是支护关注的重点和难点。

（2）巷道围岩特性。通过软岩基本特性分析可知，1307 工作面顺槽顶板围岩以泥岩和砂质泥岩为主，岩体存在强度低、节理裂隙发育、自稳定性差等特点。受到断层等构造的影响，巷道受影响范围内岩体会进一步破坏，围岩强度和完整性会进一步下降。同时，泥岩和砂质泥岩水理作用明显，受到顶板淋水作用，顶板岩层进一步遭受破坏，围岩自稳性进一步降低，即使在常规支护的条件下也难以保证巷道的稳定，此时应采取特殊措施进行加强支护。

（3）巷道布置条件。1307 工作面属于孤岛工作面，东西侧均为采空区，两条巷道为沿空掘进，巷道在回采过程中受到工作面超前应力和侧压的作用迅速发生变形和破坏，这种破坏一定程度的造成巷道支护体系的破坏。

（4）支护手段选择。以往孤岛工作面顺槽支护形式过于单一，未能充分考虑到孤岛工作面实际，在开采不同水平孤岛工作面时均采用同一规格的支护形式，导致部分孤岛工作面顺槽支护效果较差，在孤岛工作面开采前期即需要扩帮和拉底来保证巷道断面，造成大量的人力和物力浪费。同时，支护形式不合理也给工作面安全回采埋下了隐患，不利于工作面和巷道现场安全管控。

4 软岩巷道支护实践

4.1 支护方案的确定

工作面顺槽原设计方案为锚网索支护，具体参数：顶锚规格Φ20 mm×2200 mm，间排距750 mm×750 mm，锚固力不低于75 kN；顶锚索规格为Φ18.6 mm×6500 mm，间排距1500 mm×1500 mm，预紧力不低于120 kN；帮锚规格为Φ20 mm×2200 mm，间排距为750 mm×750 mm，锚固力不低于65 kN；金属网采用网孔45 mm×45 mm 的菱形网。在原支护条件下，顺槽在掘进至工作面回采结束至少需要进行三次扩修。

为了提高支护效果，对顺槽支护参数优化，采用“中空注浆锚索+锚网梁”联合支护方案。在巷道1000～1500 m 范围内进行支护试验，具体是：在顺槽布置帮锚索2 排，选择Φ17.8 mm×4000 mm的中空注浆锚索，两排锚索距离顶板分别为0.8 m和2.4 m，帮锚索间排距为1600 mm×1600 mm，顶锚和帮锚规格均为Φ20 mm×2600 mm，顶锚索规格为Φ21.6 mm×6500 mm，要求帮锚和顶锚锚固力不低于65 kN，顶锚索和帮锚索预紧力不低于120 kN。注浆锚索所配钢梁由11#矿工钢制作，梁长600～800 mm。1307 工作面回风顺槽优化后的支护参数具体如图1。

图1 1307 工作面回风巷支护方式及参数示意图

4.2 支护效果分析

为掌握1307 回风顺槽试验段在“中空注浆锚索+锚网梁”联合支护条件下支护效果，进行了巷道收敛变形实测。结果显示：巷道开挖后5 d，巷道两帮收缩为180 mm，10 d 后巷道两帮收缩245 mm，20 d 后巷道两帮收缩316 mm，30 d 后巷道两帮收缩326 mm，之后巷道基本趋于稳定，巷道两帮收敛量为巷道设计尺寸的7%。巷道开挖后，顶底板变形主要集中在开挖后10 d 范围内，平均为103 mm，之后底鼓逐渐减弱，至巷道开挖后30 d，底鼓量仅为124 mm，约为设计断面的3.5%。工作面回采期间，巷道收敛变形主要在工作面超前30 m 范围内，两帮收敛量和底鼓量分别为515 mm 和267 mm，分别为设计断面的10.7%和7.6%。由此可以看出，在“中空注浆锚索+锚网梁”联合支护条件下，1307 工作面回风顺槽变形量在可控范围内，能够保证有效巷道断面要求，支护效果较好。

5 结语

合理选择软岩孤岛工作面顺槽支护形式是确保工作面安全高效回采的关键，在进行软岩孤岛工作面顺槽支护时，要掌握该顺槽围岩的基本特性和软岩巷道发生失稳的主要原因。另外，在进行软岩孤岛工作面顺槽支护实践时，要制定专门的巷道变形观测方案，及时掌握顺槽支护的效果，并及时进行支护参数的优化，以确保软岩孤岛工作面顺槽支护的效果。