急傾斜煤層回采巷道破壞機理與支護技術探究

盧啟湘

摘 要：針對急傾斜煤層回采巷道變形破壞獨特性以及巷道難支護問題，文章探討了急傾斜煤層回采巷道的破壞機理以及有效的巷道控制措施，并結合工程實際，分析了錨梁網聯合支護在急傾斜煤層回采巷道支護中的應用；結果表明：通過巷道斷面優化與支護參數的改變，巷道圍巖變形量與變形速度得到了有效控制，滿足了巷道的使用要求。

關鍵詞：急傾斜煤層；回采巷道；破壞機理；支護

中圖分類號：TD353 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）15-0163-02

1 急傾斜煤層回采巷道破壞機理

根據眾多理論研究與工程實踐得出，急傾斜煤層回采巷道圍巖變形特征表現出非對稱性，巷道變形集中區域主要為上頂角、頂幫、底幫以及下底角。當巷道進行掘進開挖時，由于圍巖應力平衡狀態被打破，導致被開挖區域成為應力釋放突破口，圍巖變形量急速增加，并造成嚴重的剪切拉伸破壞。由于煤層傾角較大，導致巷道圍巖受載不均勻程度明顯大于緩傾斜煤層，使得底板下滑與頂板下沉現象比較明顯；受頂底板運動以及圍巖應力分布影響，急傾斜煤層回采巷道圍巖出現顯著的非對稱變形。因此，急傾斜煤層回采巷道支護重點在于對關鍵部位（頂底幫側上部以及頂板）加強支護，改變此區域受力狀態，增強其抗剪切能力。

2 急傾斜煤層回采巷道控制

巷道發生破壞的根本原因在于支護或支護所形成的承載結構的支護強度低于圍巖應力，致使圍巖出現頂板下沉、兩幫變形與底板鼓起。對于急傾斜煤層巷道穩定產生影響的因素主要有三個方面，即巷道圍巖強度、圍巖應力值及分布狀況、支護承載能力。因此，急傾斜煤層巷道控制重點在這三方面進行。

2.1 提高圍巖自身承載能力

巷道上覆巖層重量以及圍巖變形所造成的壓力，大多由圍巖結構自行承擔，而由巷道支護體所承擔的載荷較少，而巷道支護的目的旨在控制圍巖變形，保證圍巖體的承載能力，因此對于巷道支護設計應充分發揮圍巖的自承能力。巷道圍巖承載能力提高常見的措施主要有三種：

①圍巖注漿，注漿的作用能夠膠結破碎圍巖成為整體，改變破碎圍巖的物理力學特性，并為錨桿、錨索支護提供可靠的著力基礎。

②錨網索支護，錨網索支護能夠顯著提高破碎圍巖的殘余強度，進而形成主次承載拱結構，共同承載圍巖應力，控制圍巖變形。

③關鍵部位補強，煤礦巷道由于受地應力分布的影響，存在嚴重的非對稱變形現象，究其原因，主要是由于區域構造應力集中造成的。

針對此類問題，應有目的地對巷道易變形破壞部位進行補強加固，如增加錨桿錨索打設數量、注漿加固等。

2.2 轉移圍巖應力，改善圍巖應力的分布條件

對急傾斜巷道圍巖受力分析可知，巷道附近存在明顯的應力集中現象。為維持巷道圍巖穩定性，回采巷道布置與支護中應采取措施降低或轉移圍巖高應力，改善圍巖應力分布狀況?？尚械拇胧┯腥N：

①合理留設保護煤柱尺寸，保護煤柱的設計尺寸對于回采巷道圍巖應力分布有著顯著的影響，足夠寬度的煤柱能夠使巷道處于應力降低區或原巖應力區，但煤柱留設過寬易造成煤炭資源的損失，對于保護煤柱的留設應綜合考慮支護方式、資源回收等方面。

②爆破卸壓，爆破過程能夠消耗部分圍巖彈性能，且爆破形成的大量爆破裂隙能夠吸收一定的應力變形，將圍巖彈性能轉移至深部圍巖大結構。

③巷道斷面形式的合理選擇，合理選擇巷道斷面形狀對改善圍巖應力分布、提高圍巖承載能力有著重要意義。

2.3 改善支護參數

支護參數選擇的不合理性易造成支護效果達不到預期要求，產生劇烈的圍巖變形現象。急傾斜煤層回采巷道支護中應用較多的支護方式為錨網支護，以錨網支護為例，支護參數的優化改善內容主要包括錨桿預緊力、直徑、長度、安裝角度以及間排距等，此外與錨網支護相關的鋼筋梯子梁、托盤、樹脂藥卷等亦對錨網支護參數有著明顯的影響。

3 錨梁網聯合支護在急傾斜煤層回采巷道支護中的應用

3.1 工程概況

某礦主采煤層為15#煤，煤層平均埋深在430 m，煤層傾角在46 ？觷～49 ？觷，平均為48 ？觷，為急傾斜煤層。15#煤層頂底板結構條件簡單，頂板巖性依次為頁巖、砂質泥巖，底板為碳質頁巖頁巖。現階段正進行15403工作面回采巷道準備階段，在相鄰15402工作面回采過程中，運輸順槽與回風順槽都出現了不同程度的圍巖變形，對工作面正常開采產生影響，需對新工作回采巷道進行重新支護設計。

3.2 支護方案設計

①回采巷道斷面優化。為改善急傾斜煤層回采巷道圍巖受力條件，設計將15403工作面回采巷道原斷面梯形優化巷道斷面為三心拱形，新巷道斷面尺寸為：

底寬×中高=2 500 mm×2 000 mm。

②底板不支護?？紤]回采巷道服務年限較短，且巷道底板為強度較低的軟巖，設計巷道底板不采用支護。對特殊地質條件下底鼓量較大的巷道區段，設計采用臥底方式返修。

③高強預拉力錨桿支護技術。巷道原支護采用預緊力螺紋錨桿，錨桿預緊力在50 kN，規格為Φ18 mm×1 800 mm，間距為800 mm×800 mm。設計新巷道支護采用高強預緊力螺紋鋼錨桿，錨桿直徑為18 mm，長度為1 800 mm，預緊力設計為60 kN，間排距700 mm×800 mm；配套支護設備為鋼筋梯梁與金屬網，藥卷選用Z2350；頂板肩角處錨桿外擺20 ？觷，對關鍵部位進行加強支護，如圖1所示。

3.3 工程支護效果

3.3.1 圍巖變形分析

巷道變形曲線如圖2所示，分析巷道變形量可知，在距離掘進工作面0～20 m的范圍內，巷道圍巖變形量逐漸增加，基本上成一定比例正相關關系；掘進工作面20 m之后，工作面變形量增長幅度明顯降低，到35 m后變形量不再增加。兩幫與頂底板的變形量基本維持在113 mm與86 mm，且兩幫變形量始終大于頂底板移近量。

3.3.2 變形速率分析

分析兩幫及頂板板變形速率曲線如圖3所示，可知，兩幫變形速率與頂底板速率變化曲線基本保持一致，變形速率曲線峰值出現在距掘進工作面后方7 m處，兩幫與頂底板變形速率峰值分別為10 mm/d與8 mm/d。35 m之后變形速率曲線基本保持一水平直線，符合圍巖變形量曲線。

巷道圍巖變形表現出底板側幫變形量大，符合急傾斜煤層回采巷道變形特點。

綜上分析可知，巷道整體變形量較小，均在安全變形允許范圍之內，掘進工作面后25 m之后，變形量與變形速率均保持在一穩定狀態?；夭上锏雷冃畏€定后的斷面尺寸為：

底寬×中高=2 379 mm×1 920 mm

達到巷道使用條件，表明巷道支護效果良好。

4 結 語

急傾斜煤層回采巷道破壞機理主要為頂板下沉與底板下滑引起巷道的非對稱變形，變形區域主要集中在上頂角、頂幫、底幫以及下底角。對于此類巷道的圍巖控制應在研究區域圍巖運動規律及特征基礎上，有針對性地對選擇巷道支護方式。工程實踐得出，該礦在原先工作面巷道支護經驗基礎上，進行巷道斷面優化與支護參數優化，改善后的圍巖支護條件良好，圍巖變形得到了有效控制。

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