大采高小煤柱回采巷道圍巖控制機理研究

摘 要：目前，雖然對大采高小煤柱回采巷道圍巖的穩定及控制技術進行了大量的研究，但不同礦井的工程地質條件相差甚大，一些研究結論并不是適合所有礦井。本文通過理論分析大采高小煤柱回采巷道的圍巖破壞機理和錨桿支護理論，研究了錨桿支護與巷道圍巖的相互作用關系，得出巷道圍巖控制機理和保持巷道圍巖穩定的關鍵技術。

關鍵詞：大采高；回采巷道；圍巖控制

1 圍巖破壞機理

目前，在大采高小煤柱回采巷道圍巖變形破壞特征方面主要有以下四個方面的研究結論：

①小煤柱回采巷道要經受上下區段多次工作面采動的影響，因此回采巷道的圍巖變形量將會比較大，并且同回采巷道的頂底板移近量相比，回采巷道的兩幫移近量要大得多；

②小煤柱回采巷道在靠近采空區一側巷幫的變形量在回采巷道掘進期間要大于回采巷道在實體煤一側的變形量；而在本區段回采工作面的推進過程中的規律同回采巷道掘進期間這一規律恰好相反；

③因小煤柱回采巷道要經受多次工作面采動的影響，小煤柱回采巷道的礦壓將會呈現出周期性變化的特點；

④小煤柱回采巷道因受多次工作面采動的影響將會變得十分松散破碎，導致巷道圍巖的受力狀況十分復雜并出現應力分布不均勻的情況，進而造成巷道圍巖承載能力比較差并且巷道維護十分困難[1]。

2 錨桿支護機理

錨桿支護將錨桿桿體與一定范圍內的巷道圍巖錨固在一起形成承載能力更強的錨固體。目前，有以下五種比較成熟的錨桿支護理論[2]：

2.1 懸吊理論

巷道圍巖應力在巷道開掘后重新分布，一些強度較低的直接頂巖層將會隨之發生松動和下沉，或者自身裂隙比較發育的巖層將會在巷道開挖失去支承后成為危險塊體。將錨桿在直接頂與老頂發生離層之前通過錨固力錨入頂板鉆孔中，具有抗拉和抗剪特性的錨桿桿體將錨固范圍內的不穩定巖層或危險巖體懸吊于其上方的穩定巖體中，起到一定的懸吊作用，從而達到維持巷道圍巖穩定性的目的。

圖1 錨桿懸吊作用示意圖

2.2 組合梁理論

如果巷道上方強度較低的松軟直接頂巖層厚度較大時，錨桿支護將不能通過錨桿端頭的錨固作用直接將不穩定巖層或危險巖體懸吊于其上方的穩定巖體中，此時錨桿對巷道頂板的控制作用主要表現在兩個方面：

2.2.1 錨桿通過其端頭和托盤施加擠壓力于不穩定巖層上，達到增大錨桿支護范圍內巷道上覆巖層間的摩擦系數，阻止直接頂不穩定巖層之間發生離層。

2.2.2 錨桿通過其桿體比較強的抗剪能力將錨桿之前支護范圍內不穩定巖層疊加梁結構轉變為錨桿支護與其支護范圍內的不穩定巖層共同形成錨固體組合梁結構，這個錨固體組合梁結構具有更強的抗彎能力，大幅減少頂板的變形下沉。

圖2 錨桿組合梁結構示意圖

2.3 壓縮拱理論

以具有一定預緊力的錨入拱形巷道的錨桿為中心將會形成一個錐形錨固帶，這些錐形錨固帶相互疊加形成壓縮拱結構。壓縮拱結構不但能夠承載自身的載荷，而且還可以承載其上穩定巖層傳遞的大載荷。

圖3 組合拱理論示意圖

2.4 最大水平應力理論

在水平方向應力大于垂直方向應力的情況下，圍巖穩定性將主要由最大水平應力決定；在其他地質條件和開采條件相同的情況下，巷道圍巖的穩定性將會隨著最大水平應力方向和巷道軸向角度的不同有所不同。巷道圍巖受最大水平應力重用非常容易發生剪切變形破壞，錨桿支護通過其軸向作用力和抗剪特性不僅可以有效地阻止巷道圍巖發生早期變形，而且還能夠有效地阻止巖層間之間發生滑動。

2.5 圍巖松動圈理論

2.5.1 松動圈支護機理

巷道在開掘后重新分布的圍巖應力超過其承載極限時將會發生變形破壞，巖體中發生變形破壞的各個區域彼此相連形成圍巖松動圈。該支護理論適用于巷道圍巖中不但存在松動圈，而且還要求頂板巖層垮落過程產生的變形遠遠大于其自身的彈性變形。

2.5.2 松動圈分類方法

松動圈分類的主要判斷指標是松動圈的厚度，根據松動圈厚度的不同，可以將巷道圍巖的松動圈分為三類：當松動圈厚度小于400mm時，定義為小松動圈；當松動圈厚度為400～1500mm時，定義為中等松動圈；當松動圈厚度大于1500mm時，定義為大松動圈[3]。

2.5.3 松動圈支護方法

巷道圍巖大松動圈的范圍比較大，需要通過錨桿軸向擠壓作用將松動圈松散圍巖的疊加梁結構轉變為錨桿支護與其支護范圍內的松動圈松散圍巖共同形成錨固體組合梁結構，達到防治巷道圍巖發生大變形的目的。

3 圍巖控制機理

在大采高小煤柱的條件下，其回采巷道由于同采空區之間的距離比較近而極其容易受到采空區的影響，因此將會具有圍巖應力分布不均勻、應力集中系數比較大，并且在外界環境的影響下容易出現圍巖動態平衡結構發生失穩的現象，此外巷道的礦壓顯現程度在回采工作面采動的影響下將會變得十分劇烈、頂底板及兩幫移近量比較大并且兩幫的變形也不均勻等一系列特征。

3.1 大采高小煤柱回采巷道圍巖控制機理

3.1.1 高強度錨桿支護理論與整體錨固理論

錨桿支護可以通過其自身的錨固作用與其錨固范圍內的巖體共同形成一個具有整體承載結構的錨固體，這種支護方式能夠極大地改善巷道圍巖的受力狀況，并且能夠提高錨桿錨固范圍內巖體的峰值強度、峰后強度以及殘余強度，從而達到控制巷道圍巖變形，限制巷道圍巖破碎區與塑性區進一步發展的目的。

3.1.2 回采巷道圍巖控制的關鍵

根據巷道圍巖的外部力學條件，由于上區段回采工作面開采高度比較大，而采空區的冒落矸石很難將其填滿，所以基本頂巖層將向采空區一側發生彎曲下沉，由此將會有側向支承壓力產生并且該側向支承壓力還會逐漸轉移向煤壁深部，這一現象將會導致煤體邊緣發生松動變形，煤體的強度及其自身的承載能力將會進一步降低。而由于受本區段回采工作面采動影響，直接頂的回轉下沉作用將會影響到位于直接頂上方關鍵塊的穩定性，將會導致巷道圍巖出現應力分布不均勻、應力集中系數比較大，并且巷道的直接頂將會受到其上覆巖層回轉下沉產生的附加水平應力的影響而一同發生回轉下沉，回轉下沉的支點為實體煤幫，這一作用擴大了圍巖的破碎范圍并且使得圍巖的承載能力得到了進一步的降低。所以，通過保持小煤柱的穩定性能夠使得巷道圍巖中的應力分布保持均勻狀態并且使得巷道圍巖變形得到減小，從而達到保持回采巷道圍巖的穩定性的目的。由此可以得出，回采巷道圍巖控制的關鍵是保持小煤柱的穩定性。

3.1.3 高強度錨桿讓壓支護控制巷道圍巖變形

為了使得巷道圍巖變形所產生的能量得到釋放讓壓，要求所采用的支護不但要具有比較高的支護強度而且還需要適應比較大的圍巖變形。高強度錨桿不但具有比較大的延伸率，而且能夠適應比較大的圍巖變形，因此可以采用高強度錨桿讓壓支護控制巷道圍巖變形。

3.1.4 高預緊力錨桿支護提高巷道圍巖穩定性

高預緊力錨桿支護可以使巷道圍巖處于受壓狀態，并且能夠使得錨桿錨固范圍內的巷道圍巖最大限度地保持其完整性，能夠防止巷道圍巖發生進一步的變形和破壞，并且能夠控制其破碎區和塑性區的進一步發展，從而能夠達到提高巷道圍巖穩定性的目的。

3.1.5 采用小孔徑錨索加固巷道深部圍巖

小孔徑高預緊力錨索對大采高小煤柱巷道進行加強支護可以防止其頂板巖層發生冒落，使得錨固體、直接頂以及基本頂三者之間能夠協調運動。

3.1.6 增強巷道圍巖的護表能力，保證淺部巷道圍巖的完整性

在工作面回采過程中將會產生比較高的超前支承應力，因此巷道淺部圍巖將會變得十分松散破碎，從而導致錨桿支護系統失效。采用錨桿托盤、鋼筋梯梁、鋼帶、金屬網等技術措施可以使錨桿的預緊力和錨固力得到很好的均勻的擴散，能夠有效地阻止巷道淺部的圍巖發生變形與垮落。

3.1.7 通過注漿加固煤柱提高煤柱的承載能力

采用注漿加固可以充填和固結媒體中原有的或者經過變形破壞作用產生的弱面，從而能夠極大地提高松散破碎煤巖體的強度，保證小煤柱的整體穩定性，增加小煤柱的側向約束力。

3.2 大采高小煤柱回采巷道支護的關鍵技術

大采高小煤柱回采巷道的圍巖強度比較低，礦壓顯現程度十分劇烈，因此，必須選擇合理的支護方式才可以有效地控制回采巷道圍巖的變形破壞，進而能夠保持巷道圍巖處于穩定的狀態。大采高小煤柱回采巷道支護成功的關鍵技術如下：

3.2.1 選擇合理的支護方式

選擇合理的支護方式，使支護體與其支護范圍內的巷道圍巖共同形成整體的承載結構，該承載結構能夠有效地提高巷道圍巖的整體強度，保證巷道圍巖處于穩定的狀態，從而使得回采巷道能夠滿足工作面安全生產的要求。

3.2.2 控制巷道兩幫圍巖變形

煤體在巷道經過開挖之后將會從三向應力狀態轉變成兩向應力狀態，巷道兩幫的媒體在煤體內能量釋放的過程中將會變得松散破碎，并且兩幫煤體由于受碎脹力的影響將會發生一定程度的變形，通過錨桿支護可以將其控制在合理的范圍之內。

參考文獻：

[1]張華，劉建，李鵬，等.深部巖巷穩定性控制方法及實例研究[J].巖石力學與工程學報，2008（02）：3913-3918.

[2]張斌川，盧輝，劉路，等.深井高應力巷道錨桿支護參數優化研究[J].煤礦開采，2014（06）：116-119.

[3]靖洪文，付國彬，郭志宏.深井巷道圍巖松動圈影響因素實測分析及控制技術研究[J].巖石力學與工程學報，1999（01）：70-74.

作者簡介：

曹學軍（1975.11-），男，工程碩士礦業工程專業，現于大同煤礦集團有限責任公司忻州窯礦從事煤炭生產管理工作。