深部近距離變間距跨采底板煤巷圍巖動顯規律及控制技術

劉心廣

（兗州煤業股份有限公司濟寧二號煤礦，山東省濟寧市，272072）

深部近距離變間距跨采底板煤巷圍巖動顯規律及控制技術

劉心廣

（兗州煤業股份有限公司濟寧二號煤礦，山東省濟寧市，272072）

針對深部近距離多重采動影響跨采底板煤巷圍巖塑性大變形破壞特征，研究了深部近距離變間距跨采煤巷圍巖變形破壞及巷道底臌影響因素；通過數值模擬對跨采底板煤巷層間臨界煤巖柱及合理內錯距離進行優化研究，掌握多重采動影響條件下跨采煤巷動顯規律，及多元應力疊加條件下跨采巷道圍巖應力場動態演化規律；結合巷道圍巖性態、層間距差異等制定了適合多重采動影響跨采底板煤巷動態分段耦合控制技術，并進行了工程試驗研究。應用表明：跨采巷道圍巖應力集中程度減弱，分布更加趨于均勻化，運輸巷圍巖的破壞范圍及破壞深度減少，分段動態支護方式在深部近距離跨采巷道支護領域具有重要推廣應用價值。

深部開采 近距離跨采 變間距 煤巷 動顯規律 動態耦合支護

濟寧二號煤礦3上與3下煤層間距0.7～39.25 m，平均25.66 m，層間距小、起伏變化大，兩煤層在十一采區北部合并，向南間距增大。根據礦井生產接續、十一采區構造和煤層賦存特點，為緩解接續緊張，需提前施工113下08工作面運輸巷和切眼，從而造成3上煤層工作面跨采3下煤層回采巷道的局面。在上下煤層工作面回采過程中，引起應力重新分布，使113下08工作面運輸巷受多重采動影響而產生變形破壞。因此，深部近距離煤層跨采煤巷礦壓顯現規律及圍巖穩定性控制技術研究己經成為濟寧二號煤礦面臨的一項重要課題。

1 跨采底板煤巷穩定性影響因素分析

通過對巷道工程地質條件、圍巖結構、物化分析、地質力學等綜合分析，有多種因素影響跨采煤巷圍巖的穩定性。

跨采巷道埋深大，高構造應力水平和復雜的地質構造增加了工作面巷道工程施工的難度，并且巷道承受上位煤層工作面多重采動影響以及殘留煤柱復合集中應力作用。巷道圍巖在高應力作用下極易產生強烈塑性變形。在底板泥巖中膨脹性粘土礦物含量較高，遇水極易膨脹變形，從而造成巷道底臌和圍巖破壞，且底臌具有明顯的流變性，底板跨采煤巷相對服務時間較長，流變將引起底板巖層強度的降低及底臌量的增加。由于上部采空區積水的滲透作用，降低了層間巖石的內聚力，使頂板巖體容易產生松散脫落，弱化了錨桿錨固基礎，嚴重影響了跨采煤巷支護穩定性。

2 深部近距離變間距跨采巷道動顯規律及空間位置模擬分析

跨采煤巷的位置主要由煤層間距和煤巷內錯間距確定。在跨采過程中，跨采巷道的位置不同，所受的采動影響也不同。因此，跨采煤巷位置的確定對巷道穩定性有很大影響。隨著煤層工作面的回采，采動對跨采巷道的影響分別為3上煤層工作面單側采動對跨采巷道的影響，如圖1（a）所示；3上煤層相鄰工作面雙側采動對跨采巷道的疊加影響，如圖1（b）所示；以及3上煤層工作面和3下煤層跨采巷道服務工作面的三次采動對跨采巷道的疊加影響，如圖1（c）所示。

圖1 跨采工作面113上01與受采動影響底板113下08運輸巷平面位置示意圖

由于跨采巷道承受上下煤層工作面多次采動的影響，作用在巷道上的應力出現疊加，導致巷道變形破壞。跨采巷道應力疊加及變形情況與上下煤層巷道的內錯距密切相關。因此，上下煤層回采巷道的位置關系不同，對底板跨采巷道會產生不同程度的影響。為了正確模擬分析3上及3下煤層在開采過程中113下08運輸巷圍巖的受力與變形情況及為正確確定跨采煤巷合理位置提供必要的科學依據，以3上及3下煤層間距、煤巷內錯距為考慮因素，分析煤層間距為10 m、22 m、37 m，煤層內錯距分別取6 m、12 m、20 m、28 m、35 m時，兩種因素相互交叉組合確定出15種方案。

2.1 煤間距不同對巷道圍巖穩定性的影響

以煤間距不同，巷道錯距為28 m為例進行分析研究。因篇幅有限，僅給出了煤間距不同時巷道圍巖垂向位移變化色譜圖，如圖2所示。從圖2中可以看出，在煤間距為10 m時，巷道變形受上部工作面回采的影響很大，煤間距在一定范圍內，巷道頂底板相對移近量隨煤間距的增加而逐漸減小。同理，得出了煤間距不同時巷道垂向應力變化情況，巷道圍巖垂向應力隨著巷道距工作面距離的增加而減小并逐漸趨于穩定。煤間距不同時對巷道圍巖的塑性區分布影響為當煤間距較小時巷道圍巖的塑性區與上層采場底板塑性區相互連通，但隨著煤間距的增加，巷道圍巖塑性區范圍及程度都逐漸減小，表明上部工作面回采產生的動壓影響逐漸變緩。

2.2 工作面邊界跨過底板巷道的水平距離不同對其圍巖穩定性的影響

以巷道錯距不同，煤間距一定為例進行分析研究。因篇幅有限，僅給出了錯距不同時巷道圍巖垂向位移變化色譜圖，如圖3所示。從圖3中可以得知，巷道頂底板的相對移近量隨巷道錯距的增大先增大后減少，但總體變化幅度不是很大。同理，可以得出當錯距較小時，騎跨巷道的垂向應力卸壓區與上部工作面連通，且應力集中區出現在巷道的右側，隨錯距的增加，逐漸在騎跨巷道的兩側形成應力集中現象。當水平距離為6 m時巷道圍巖破壞范圍及程度最大，隨著錯距的增加，巷道圍巖的破壞范圍呈現減小趨勢，且巷道圍巖破壞多以頂板為主。

在對鄰近工作面礦壓觀測及理論分析研究的基礎上，綜合分析本次數值計算結果，確定3上煤層工作面采動支承壓力顯著影響范圍為20 m左右，為確保底板巷道避免受多次采動影響及上位煤層開采形成的煤柱集中支承壓力與工作面側向支承壓力疊加影響，防止沖擊地壓及礦震的發生，113下08運輸巷合理位置確定為與113上01工作面運輸巷水平距離為28 m。

圖3 錯距不同時巷道圍巖垂向位移變化色譜圖

3 深部近距離變間距跨采煤巷圍巖控制技術研究

3.1 分段動態耦合控制技術理論研究及工程設計

圖4 底板煤巷錨網+多根錨索支護平面圖

通過對工程巖組臨界深度及工程難度評價，確定了采用錨網索耦合支護方法對近距離跨采煤巷圍巖進行控制，結合巷道圍巖性態、層間距差異等研究采用分段動態支護，根據劃分的不同層間距區間，基于關鍵部位耦合支護，制定了錨網支護、錨網+單根錨索、錨網+多根錨索及錨網索+鋼棚的分階段圍巖穩定性控制方法，并進行了工程實踐，跨采煤巷圍巖穩定性較好，因篇幅有限，部分支護方案如圖4、圖5所示。

圖5 底板煤巷錨網梯工字鋼棚支護示意圖

層間距10～20 m時，由于受多重采動應力影響，底板巷道圍巖破碎較嚴重，采用錨網+多根錨索耦合支護技術，若仍產生較大變形時，建議補充工字鋼棚進行被動支護；層間距20～40 m時，受采動影響相對較小，但受深部高應力軟弱圍巖影響，建議采用錨網+單根錨索耦合支護方式，巖石巷道及圍巖完整、巖性穩定區域采用錨網支護，圍巖破碎嚴重區域適當增加錨索支護密度。

3.2 礦壓監測及反饋設計

為了掌握跨采底板煤巷相關礦壓規律，進行了底板巷道礦壓觀測，從跨采開始到跨采停采線以外100 m止，每12 m設置一個觀測斷面，保證在不同層間距、圍巖性態及地質構造處進行動態監測，分別進行收斂、離層、托錨力觀測，具體監測結果如圖6～圖9所示。

從圖6～圖9中可以看出，113下08運輸巷兩幫移近量隨回采工作面的推進而逐漸增加，在回采煤壁下方時移近速度較大，回采過后逐漸趨于穩定。113下08運輸巷頂板在超前113上01工作面煤壁約50 m處頂板開始緩慢下沉，頂板最大下沉量為20 mm。進入113上01采空區下方應力降低區后，運輸巷頂板出現輕微反彈現象。

從圖8中可以看出，隨工作面回采，錨桿索受力逐漸增加，20 m以內時急劇增加，頂板錨桿受力最大96.1 k N，錨索受力最大117.2k N，對比錨網支護工程質量標準表，錨桿索仍有較大富余量，通過起底修復、加打錨桿索、架棚等措施后，完全能滿足113下08工作面回采、通風、運輸要求。

從圖9中可以看出，監測面距離113上01工作面煤壁大于40 m時，各測點的垂向應力曲線比較平緩，壓力值基本保持在一定應力水平，隨后呈現出增加趨勢，而距離小于20 m時，出現激增現象。當工作面煤壁越過監測面后，各測點的垂向應力逐漸降低并趨于穩定。

4 結語

通過對深部近距離跨采煤層底板應力分布規律、巖層破壞特征與底板巷道 圍巖應力、變形、破壞演化規律及底臌治理方面的研究，可加深對跨采巷道附加變形與破壞機理的認識，以利于對巷道附加變形進行有效控制，提出切實合理的跨采巷道圍巖穩定性控制技術，對于維護巷道圍巖穩定，具有重要的現實意義。通過數值模擬和現場實測，113下08運輸巷圍巖應力集中程度減弱，分布更加趨于均勻化，運輸巷圍巖的破壞范圍及破壞深度減少，圍巖穩定性提高。因此，針對深部近距離煤層跨采煤巷支護所提出的動態支護方式，在理論上是科學的、技術上是可行的。

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Dynamic strata behavior law and controlling technology of surrounding rock of floor roadway in deep short-distance cross mining with variable intervals

Liu Xin'guang
（JiningⅡCoal Mine，Yanzhou Coal Mining Co.，Ltd.，Jining，Shandong 272072，China）

Aiming at the large plastic deformation and failure characteristics of surrounding rock of cross mining floor roadway under the impact of deep short-distance multiple mining，the paper researches the influencing factors of surrounding rock failure and the floor heave of the roadway in deep short-distance cross-mining with variable intervals；with numerical simulation，it conducts the optimization research on the critical coal pillars and reasonable inner intersecting distance between them in the layers of floor roadway in cross mining，and masters the dynamic strata behavior law of cross mining roadway under the impact of multiple mining and the dynamic evolution law of the surrounding rock stress field of the cross mining roadway under the multiple stress superposition；combining with the surrounding rock behavior and the interlayer spacing differences，the paper makes the dynamic piecewise coupling control technology which fits the cross mining floor roadway under the impact of multiple mining and carries out the engineering tests.The applying result shows that the stress concentration of the surrounding rock of cross mining roadway is weakened，and its distribution becomes more uniform；the damage extent and depth of the surrounding rock of the haulage lane are reduced；the piecewise dynamic support technology has important application value in the support area of deep short-distance cross-mining roadways.

deep mining，short distance cross mining，variable intervals，coal roadway，dynamic strata behavior law，dynamic coupling support

TD325

A

劉心廣 （1965-），男，山東嘉祥人，現任兗州煤業股份有限公司濟寧二號煤礦副礦長、總工程師，高級工程師，研究方向為采礦工程技術。

（責任編輯 張毅玲）