撖書一

（潞安化工集團(tuán)王莊煤礦，山西 長治 046031）

沿空留巷是一種提高礦井經(jīng)濟(jì)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(chǎn)生變形破壞，頂板變形強(qiáng)烈，煤幫易擠出，巷道底鼓嚴(yán)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(shè)計合理的支護(hù)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(jìn)工作面，北、西為未采區(qū)域。工作面運(yùn)輸巷道全長2493 m，回風(fēng)巷道全長2612 m，皆沿3#煤層底板掘進(jìn)，工作面回風(fēng)巷道進(jìn)行沿空留巷設(shè)計，作為91-102 工作面的一條順槽。91-101 工作面風(fēng)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?shù)装逦锢砹W(xué)參數(shù)見表1。

表1 工作面巷道頂?shù)装逦锢砹W(xué)參數(shù)表

3#煤及工作面頂?shù)装鍘r層普氏系數(shù)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(chǎn)生變形破壞，91-101 風(fēng)巷在掘進(jìn)過程中兩次出現(xiàn)底板隆起，圍巖易產(chǎn)生變形破壞。因此，將回風(fēng)巷道作為下一個工作面的沿空留巷巷道時，需結(jié)合工程實際分析三軟煤層沿空留巷巷道圍巖變形原因，進(jìn)而設(shè)計合理的支護(hù)方案。

2 三軟煤層沿空留巷圍巖變形原因

91-101 工作面風(fēng)巷（沿空留巷）形成過程中，因其幫部、頂部煤體和頂?shù)装鍘r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(xiàn)應(yīng)變軟化情況。應(yīng)變軟化是指軟弱巖體在受力變形后，進(jìn)一步變形所需的應(yīng)力比原來的要小，即應(yīng)變后巖體進(jìn)一步變軟，更易產(chǎn)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(chǎn)生大變形。巷道開挖后，在上覆載荷作用下，巷道淺部圍巖變?yōu)槎驊?yīng)力狀態(tài)，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(hù)承載結(jié)構(gòu)沒有達(dá)到其應(yīng)有的支護(hù)效果，進(jìn)一步加劇了圍巖塑性區(qū)向深部發(fā)展，引發(fā)大面積圍巖變形破壞。

綜上所述，軟弱圍巖的應(yīng)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(jìn)后，破壞了圍巖三向受力狀態(tài)，在上覆載荷的作用下，圍巖塑性區(qū)擴(kuò)散范圍及速度增大，致使錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)失效，圍巖產(chǎn)生較為嚴(yán)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(qiáng)度、預(yù)防應(yīng)變軟化、改變應(yīng)力狀態(tài)等方面控制巷道圍巖變形，采用錨桿索支護(hù)、巷旁支護(hù)和滯后加強(qiáng)支護(hù)的手段聯(lián)合支護(hù)沿空留巷。

3.1 錨桿索支護(hù)

（1）掘進(jìn)期間頂板支護(hù)

為保障支護(hù)方案的安全性，取懸板范圍最大的端頭區(qū)域參數(shù)來確定錨桿支護(hù)組合厚度。計算公式：

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

頂部錨桿采用HRB335Φ22 mm×2400 mm 高強(qiáng)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(shè)。鋪設(shè)金屬網(wǎng)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(yù)應(yīng)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(shè)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(jìn)行連鎖；每排打設(shè)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(jìn)行連鎖。頂網(wǎng)為1.0 m×5.5 m 的小格型金屬經(jīng)緯網(wǎng)。

（2）掘進(jìn)期間兩幫支護(hù)

幫部采用HRB335Φ22 mm×2000 mm 高強(qiáng)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(shè)，錨固長度為1.2 m。鋪設(shè)金屬網(wǎng)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(wǎng)為1.0 m×3.6 m 的小格型金屬經(jīng)緯網(wǎng)。圖2 為錨桿索支護(hù)示意圖。

圖2 錨桿索支護(hù)參數(shù)圖（mm）

3.2 沿空留巷形成期間的巷旁支護(hù)

巷旁支護(hù)采用間隔鋼管混凝土墩柱+雙工字鋼橫撐支護(hù)頂板，側(cè)向鋪雙層擋矸網(wǎng)，控制采空區(qū)破碎巖體側(cè)向流動，預(yù)防應(yīng)變軟化現(xiàn)象的產(chǎn)生。將頂部橫撐工字鋼靠近巷道外側(cè)鋪設(shè)，提升側(cè)向鋪網(wǎng)的擋桿效果，工字鋼外邊界距離鋼管最外側(cè)200 mm。隨工作面推進(jìn)，當(dāng)支架距離最近鋼管混凝土墩柱距離達(dá)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(qiáng)支護(hù)

工作面后方巷道斷面內(nèi)采用π 型梁加單體柱加強(qiáng)支護(hù)頂板，向頂部圍巖施加向上的支撐力，改變巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)。π 型梁規(guī)格為3000 mm，一梁三柱。π 形梁的搭接間距為200 mm，沿空側(cè)和實體煤側(cè)的π 型梁垂直距離為2200 mm。

4 現(xiàn)場實測

在沿空留巷開始前30 m 布設(shè)第一個測站，每隔30 m 布設(shè)1 個測站，共布設(shè)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(diǎn)，對頂?shù)装搴蛢蓭拖鄬σ平窟M(jìn)行50 d 的監(jiān)測。在測站設(shè)置完成的前2 個星期內(nèi)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(jiān)測圖。

圖3 巷道表面位移監(jiān)測圖

由圖3 可知，3 個測站監(jiān)測數(shù)據(jù)的趨勢相同，其中，3#測站巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平孔畲?，頂?shù)装遄畲笠平繛?20 mm，兩幫最大移近量為130 mm。觀測時間在40 d 后，幫部及頂?shù)装逡平炕静蛔儭Ｏ锏雷畲髷嗝媸諗柯蕿?.21%（小于10%），巷道仍屬于穩(wěn)定巷道。

5 結(jié)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(qiáng)度較低、應(yīng)變軟化加劇圍巖變形、二向應(yīng)力狀態(tài)下圍巖強(qiáng)度下降；

（2）采用錨桿索支護(hù)、巷旁支護(hù)和滯后加強(qiáng)支護(hù)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(jìn)行支護(hù)后，巷道最大斷面收斂率為9.21%，巷道屬于穩(wěn)定巷道。