马兰矿软弱夹层回采巷道支护技术研究与应用

罗永青

（山西焦煤西山煤电股份有限公司马兰矿，山西 古交 030205）

马兰矿2 号煤的顶板为泥岩和1 号煤的互层，强度较低，稳定性较差，在巷道掘进后变形量大，工作面回采过程中需要多次维修，对生产造成了一定的影响。维持软弱夹层回采巷道的稳定有效，已经成为保障马兰矿煤矿掘进和回采安全的重要因素。

1 工程概况

1.1 地质生产条件

12610 工作面位于910 m 水平南六采区，所采煤层为二叠系下统山西组2 号煤，煤层厚度为2.32～2.49 m，平均2.43 m，煤层倾角为1°～10°，平均4°。煤层顶底板岩性如图1。工作面倾斜长度为121 m，走向长度938 m，工作面标高864.9～896.7 m，地面标高1267～1387 m，采用综合机械化长壁开采。工作面西南侧为南六采区皮带下山，西北侧为10608 采空区，东南侧为10610 底抽巷。

图1 2 号煤顶底板岩性

1.2 原巷道支护情况

2 号煤工作面的回采巷道采用锚网索联合支护的方式，顶锚杆规格为Φ18 mm×2200 mm，间排距为900 mm×900 mm，采用梯子梁连接。锚索规格为Φ17.8 mm×6300 mm，每排布置两根，间排距为2000 mm×900 mm。帮锚杆规格为Φ18 mm×2000 mm，间排距为900 mm×900 mm。

1.3 地应力及围岩强度现场测试

（1）地应力测试

采用水力致裂法在南六采区轨道巷进行地应力测试，测试结果表明，该区域的垂直主应力σv为10.8 MPa，最大水平主应力σH为12.3 MPa，最小水平主应力为7.9 MPa，应力场为水平应力主导型。

（2）围岩强度

巷道煤帮及顶板的原位强度测试结果如图2。可以看出，煤层的平均强度为11.8 MPa，下位泥岩的平均强度为16.7 MPa，上位泥岩的平均强度为19.8 MPa，顶板细砂岩的平均强度为39.2 MPa，粉砂岩的平均强度为52.3 MPa。

图2 煤层及顶板原位强度测试结果

2 巷道变形分析

2.1 结构特征

由柱状图看出，12610 工作面2 号煤的上覆岩层依次为泥岩、煤层和泥岩，强度较低，总厚度为3.1 m，超过了锚杆的锚固长度。数值模拟和相似模拟结果表明，位于该层位的复合顶板与上部岩层之间发生离层的概率较大，锚杆的锚固作用有限，无法阻止离层的发生，易发生顶板大范围下沉[1-3]。

2.2 变形规律

根据2 号煤其他回采巷道掘进及回采过程中的观测，该类巷道的主要变形特征为[4-6]：

（1）变形速度快

巷道在掘进期间就出现明显变形，初期变形速度快，持续时间长，变形量大。

（2）巷道变形以离层为主

发生垮冒的地段相对较少，主要以大范围的离层为主，最大离层值达到0.7 m。局部地段岩层破碎，网兜较多。顶板变形后，两帮收敛大，鼓帮严重。底板变形相对较小，较少地段发生轻微底鼓，对生产无影响。

（3）支护体损坏

部分地段锚杆发生扭弯、松动甚至整体脱落，梯子梁发生弯曲，钢筋网被撕裂，部分锚索托盘外翻甚至被剪断。

2.3 原因分析

结合地应力测试及现场调研，分析认为2 号煤回采巷道变形严重的主要原因有：

（1）顶板岩性及结构

2 号煤的直接顶板为泥岩和1 号煤互层，岩层之间的粘结力差，承载能力低，围岩中裂隙发育程度高，分布无规律，巷道掘进后无法形成稳定的自承载结构，自稳能力差，易出现大变形。

（2）支护设计

2号煤软弱夹层的厚度超过了锚杆的锚固长度，对浅部岩层的控制效果较差，浅部离层值大，影响了锚索的支护效果。

3 控制机理及控制技术

3.1 控制机理

对于厚层软弱顶板巷道，利用锚索形成深部的承载结构对维护巷道稳定具有重要的意义。在原单体锚索的基础上，增加桁架锚索结构，将锚固点设置于两帮上方未受掘进影响的稳定岩体中，形成稳定的承载加固拱结构，控制浅部岩层的离层。同时，在断层等地质构造附近增加工字钢支护，减少浅部岩层的下沉，使煤岩体处于三向应力状态，保证锚杆作用的发挥，提高对顶板的支撑效果。如图3。

图3 软弱顶板巷道加固机理

3.2 围岩控制技术

12610 工作面回采巷道的断面为4500 mm×3500 mm，优化后的方案为单体锚索和桁架锚索的联合支护，如图4。

图4 12610 工作面顺槽支护方案（mm）

3.2.1 顶板支护

（1）锚杆支护

顶板采用Φ20 mm×2400 mm 的高强螺纹钢锚杆，每根锚杆配两卷K2360 树脂药卷锚固，钻孔直径为28 mm，预紧扭矩不低于220 N·m，每排布置6 根锚杆。如图4。锚杆托盘为150 mm×150 mm×10 mm 碟形高强度托盘，采用菱形金属网护顶，压茬200 mm，采用14#钢丝双股连接，间距不小于200 mm。每排锚杆采用4500 mm×100 mm×5 mm（长×宽×厚）的W 钢带连接。

（2）锚索支护

顶锚索为单体锚索和桁架锚索联合支护，交替布置，排距为900 mm，锚索滞后迎头距离不大于5 m。

单体锚索规格为Φ21.6 mm×7300 mm，要求深入到顶板粉砂岩中的长度不低于1000 mm。采用四支K2360 树脂药卷加长锚固，单体锚索垂直巷道顶板布置，每排布置一根。

桁架锚索的规格为Φ21.6 mm×9300 mm，钻孔深度8000 mm，向巷道两帮倾斜25°设置。每根锚索采用三支K2360 树脂药卷加长锚固，配400 mm×400 mm×16 mm（长×宽×厚）的大托盘，采用专用连接器及锁具连接，底部跨距为2000 mm。

锚索送入孔底后，30 min 后张拉，预紧力不小于120 kN。

3.2.2 巷帮支护

帮锚杆为Φ20 mm×2200 mm 的高强螺纹钢锚杆，两卷CK2335 树脂药卷锚固，锚杆间排距为800 mm×900 mm，每排布置5 根，采用W 钢带连接。

3.3 矿压观测

在12610 运煤巷掘进过程中，每隔50 m 设置测站，一共设置5 个，分别采用十字布点法和离层仪对巷道表面位移和顶板离层情况进行观测。离层指示仪的浅部基点为巷道顶板以上3.0 m，深部基点为7.0 m。其中3 号测站的观测结果如图5。

图5 巷道表面位移观测结果

由图5 可知，巷道掘进后，顶板下沉速度较快，最大下沉速度为6.7 mm/d；持续时间较短，10 d 左右巷道变形趋于稳定，最终下沉值为41.2 mm。巷道两帮收敛和底鼓变形不明显。离层指示仪显示巷道顶板离层浅部基点离层值为7.6 mm，深部基点离层值为11.7 mm，离层值小，对生产无影响。

4 结论

（1）由于2 号煤的直接顶板为泥岩和1 号煤互层，强度低，粘结性差，因此掘进后出现顶板整体沉降、支护体损坏等强烈的动压现象。

（2）桁架锚索的锚固点位于两帮实体煤上方的稳定岩层中，受掘进影响小，配合单体锚索和强力锚杆可形成稳定的承载加固拱结构，使煤岩体处于三向应力状态，有利于巷道的稳定。

（3）12610 工作面采用优化后的桁架锚索和单体锚索联合支护方案后，巷道变形量小，保证了工作面的安全回采。