三軟煤層沿空留巷巷道圍巖變形控制研究

撖書一

（潞安化工集團王莊煤礦，山西 長治 046031）

沿空留巷是一種提高礦井經濟效益的采煤巷道布置方式，然而，三軟煤層工作面的沿空留巷巷道圍巖易產生變形破壞，頂板變形強烈，煤幫易擠出，巷道底鼓嚴重，影響工作面正常回采。為此，以王莊煤礦91-101 工作面巷道為工程背景，分析了三軟煤層工作面沿空留巷巷道圍巖變形破壞原因，設計合理的支護方案，控制三軟煤層沿空留巷巷道圍巖變形[1-5]。

1 工程背景

91-101 工作面回采3#煤，煤層埋深524～591 m，煤層平均厚度為6.38 m。91-101 工作面東接540 皮帶大巷，南為91-201掘進工作面，北、西為未采區域。工作面運輸巷道全長2493 m，回風巷道全長2612 m，皆沿3#煤層底板掘進，工作面回風巷道進行沿空留巷設計，作為91-102 工作面的一條順槽。91-101 工作面風巷斷面為矩形，巷道凈寬5500 mm，煤幫凈高3600 mm，巷道斷面凈面積為19.8 m2。工作面巷道頂底板物理力學參數見表1。

表1 工作面巷道頂底板物理力學參數表

3#煤及工作面頂底板巖層普氏系數較低，巖性皆較軟，91-101 工作面屬于三軟煤層工作面，巷道圍巖易產生變形破壞，91-101 風巷在掘進過程中兩次出現底板隆起，圍巖易產生變形破壞。因此，將回風巷道作為下一個工作面的沿空留巷巷道時，需結合工程實際分析三軟煤層沿空留巷巷道圍巖變形原因，進而設計合理的支護方案。

2 三軟煤層沿空留巷圍巖變形原因

91-101 工作面風巷（沿空留巷）形成過程中，因其幫部、頂部煤體和頂底板巖層巖性較軟，巷道圍巖受上覆載荷作用后，在其受力變形過程中會出現應變軟化情況。應變軟化是指軟弱巖體在受力變形后，進一步變形所需的應力比原來的要小，即應變后巖體進一步變軟，更易產生變形破壞。圖1 為91-101 工作面沿空留巷巷道圍巖變形示意圖。

圖1 91-101 工作面沿空留巷巷道圍巖變形示意圖

由圖1 可知，巷道圍巖在上覆載荷作用下，更易在較為軟弱的頂部及幫部煤體處產生大變形。巷道開挖后，在上覆載荷作用下，巷道淺部圍巖變為二向應力狀態，巷道表面圍巖變形范圍、速度及破碎程度較大，使得錨桿索的錨固效果被極大削弱，支護承載結構沒有達到其應有的支護效果，進一步加劇了圍巖塑性區向深部發展，引發大面積圍巖變形破壞。

綜上所述，軟弱圍巖的應變軟化使得三軟煤層工作面巷道圍巖更易變形破壞。巷道掘進后，破壞了圍巖三向受力狀態，在上覆載荷的作用下，圍巖塑性區擴散范圍及速度增大，致使錨網索聯合支護結構失效，圍巖產生較為嚴重的變形破壞。

3 圍巖控制方案

針對三軟煤層沿空留巷圍巖變形的原因，從提高圍巖整體強度、預防應變軟化、改變應力狀態等方面控制巷道圍巖變形，采用錨桿索支護、巷旁支護和滯后加強支護的手段聯合支護沿空留巷。

3.1 錨桿索支護

（1）掘進期間頂板支護

為保障支護方案的安全性，取懸板范圍最大的端頭區域參數來確定錨桿支護組合厚度。計算公式：

式中：L為錨桿支護組合厚度，m；σt為煤層的抗拉強度均值，0.67 MPa；λ為煤層容重，2.6×103kN/m3；a2為端頭區域弧形三角形懸板范圍，25 m2。帶入計算得錨桿支護組合厚度需大于1.9 m。

頂部錨桿采用HRB335Φ22 mm×2400 mm 高強度螺紋鋼錨桿，間排距為850 mm×900 mm，錨固長度1.5 m。頂角錨桿距幫部200 mm，頂角錨桿向兩幫呈15°，其余頂錨桿垂直于頂板打設。鋪設金屬網和Φ14 mm×5300 mm×80 mm 圓鋼焊制的雙筋雙梁鋼筋梯子梁，采用拱高為40 mm 的150 mm×150 mm×10 mm 的錨桿托板。

頂部采用Φ18.9 mm 預應力錨索，采用3-2-3布置方式。錨索孔深度為8.0 m，錨索長度為8.3 m，錨固長度2.2 m，錨索托盤為拱高60 mm 的300 mm×300 mm×16 mm 托盤。每排打設3 根錨索時，采用Φ14 mm×4000 mm×80 mm 圓鋼焊制的雙筋雙梁鋼筋梯子梁，平行于頂錨桿鋼筋梯子梁進行連鎖；每排打設2 根錨索時，采用Φ14 mm×4000 mm×80 mm 圓鋼焊制的雙筋雙梁鋼筋梯子梁，每3根一組垂直于頂錨桿鋼筋梯子梁進行連鎖。頂網為1.0 m×5.5 m 的小格型金屬經緯網。

（2）掘進期間兩幫支護

幫部采用HRB335Φ22 mm×2000 mm 高強螺紋鋼錨桿，間排距為1000 mm×900 mm。幫頂錨桿距頂300 mm，幫底錨桿距底300 mm，幫頂錨桿向上呈15°，其余幫錨桿垂直于兩幫煤壁打設，錨固長度為1.2 m。鋪設金屬網和Φ14 mm×3400 mm×80 mm 圓鋼焊制的雙筋雙梁鋼筋梯子梁，采用拱高40 mm 的150 mm×150 mm×10 mm 的錨桿托板。幫網為1.0 m×3.6 m 的小格型金屬經緯網。圖2 為錨桿索支護示意圖。

圖2 錨桿索支護參數圖（mm）

3.2 沿空留巷形成期間的巷旁支護

巷旁支護采用間隔鋼管混凝土墩柱+雙工字鋼橫撐支護頂板，側向鋪雙層擋矸網，控制采空區破碎巖體側向流動，預防應變軟化現象的產生。將頂部橫撐工字鋼靠近巷道外側鋪設，提升側向鋪網的擋桿效果，工字鋼外邊界距離鋼管最外側200 mm。隨工作面推進，當支架距離最近鋼管混凝土墩柱距離達到2600 mm 時，支工字鋼橫撐，一梁三柱，柱距1200 mm。

3.3 沿空留巷形成期間滯后加強支護

工作面后方巷道斷面內采用π 型梁加單體柱加強支護頂板，向頂部圍巖施加向上的支撐力，改變巷道圍巖應力狀態。π 型梁規格為3000 mm，一梁三柱。π 形梁的搭接間距為200 mm，沿空側和實體煤側的π 型梁垂直距離為2200 mm。

4 現場實測

在沿空留巷開始前30 m 布設第一個測站，每隔30 m 布設1 個測站，共布設3 個測站。在每個斷面的頂、底板和澆筑體兩幫的中部各布置1 個測點，對頂底板和兩幫相對移近量進行50 d 的監測。在測站設置完成的前2 個星期內每天觀測一次，第2～4 個星期每周觀測2～3 次。圖3 為巷道表面位移監測圖。

圖3 巷道表面位移監測圖

由圖3 可知，3 個測站監測數據的趨勢相同，其中，3#測站巷道頂底板及兩幫移近量最大，頂底板最大移近量為320 mm，兩幫最大移近量為130 mm。觀測時間在40 d 后，幫部及頂底板移近量基本不變。巷道最大斷面收斂率為9.21%（小于10%），巷道仍屬于穩定巷道。

5 結論

（1）三軟煤層工作面沿空留巷巷道圍巖易變形破壞的主要原因：軟弱圍巖自身強度較低、應變軟化加劇圍巖變形、二向應力狀態下圍巖強度下降；

（2）采用錨桿索支護、巷旁支護和滯后加強支護的手段可有效控制三軟煤層工作面沿空留巷巷道圍巖變形；

（3）對沿空留巷巷道進行支護后，巷道最大斷面收斂率為9.21%，巷道屬于穩定巷道。