不穩定采空區域巷道變形機理和支護的對策及應用

孫柏成

摘要：根據田陳煤礦北一采區111運輸巷的采掘條件判斷巷道屬于不穩定采空區域的掘進，會產生一定的支護困難。分析巷道可能產生的大變形的原因為采空區的動載沖擊、層間巖柱厚度對錨固性能的影響和回采超前支承應力的影響。對應提出了應采取以地質力學測試為基礎的動態信息設計法和高預應力一次支護理念，并對支護材料進行優化，實現經濟、安全和高效的掘進。

Abstract： According to the mining conditions of transportation lane 111 in North 1st Gob of Tianchen Coal Mine， it is judged that the tunnelling of unstabilized gob will have support problems. It is analyzed that the causes of the large deformation of roadway are the gob dynamic load impact， the influence of the interlayer thickness of rock pillars on anchorage performance and the influence on recovery lead bearing stress. The ideas of using the dynamic information design method of taking geological mechanics test as the basis and high prestressed supporting are put forward to optimize the supporting materials， realize the economic， safe and efficient driving.

關鍵詞：近距離煤層；未穩定采空區；大變形；動態信息設計法；高預應力支護

Key words： close distance coal seams；unstabilized gob；large deformation；dynamic information design method；high prestressed bolting

中圖分類號：TD353 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）07-0150-02

0 引言

由于采掘銜接和煤層間距的影響，不同程度的存在巷道支護的難題。動壓巷道的支護也是研究的熱點和難點，特別是采掘動壓下，應力場的持續變化使得難易準確確定應力變化的幅度，造成支護系統的適應性難以把握。近距離煤層的動壓巷道分為兩種，一種是鄰近煤層回采完畢，已穩定，下一煤層開采下的動壓問題，比如沿空掘巷、留巷復用巷道等，其本質還是同一煤層的動壓問題，關鍵點是上一層煤的留設煤柱的大小及與巷道的空間關系；另一種是上下兩層煤在較短時間內同采，本煤層的掘進巷道受鄰近煤層采掘活動的影響，關鍵點是采空區的穩定程度及其與受影響巷道的時空關系。

田陳煤礦北一111運輸巷即屬于第二種情況，巷道布置在剛剛回采結束的上層煤采空區下，煤層間距不穩定，整體較小。因此，巷道掘進受上覆采空區的影響較大，巷道掘進的應力環境不斷變化，甚至在層間距較薄的區域可能出現不能自穩的現象。基于此，需對北一111運輸巷的采掘條件進行細致分析，預估巷道可能出現的大變形及產生機理，并采取超前預案對巷道的支護進行改進。實現巷道的安全高效掘進和安全回采使用，為類似條件下的巷道支護工作提供借鑒。

1 概述

田陳煤礦北一111運輸巷由于銜接緊張，只能在上覆3上101工作面剛剛回采結束時即進行掘進，采掘空間關系。3上煤層101和103工作面均已回采完畢，留設有4m小煤柱，煤柱距離北一111運輸巷的水平距離為20m。遺留煤柱可能會對111運輸巷造成一定的影響，但影響不大。兩層煤之間的巖柱厚度不均，厚度范圍為3～8m。煤層頂板：偽頂0～0.5m泥巖，直接頂為1.5～11m砂泥巖互層，老頂為45～12m細砂巖。

2 分析

通過以上巷道的概況分析，判定北一111運輸巷屬于可能會支護困難的巷道，原因及機理分析如下：

①不穩定采空區的動壓影響，頂板砂巖及以上巖層的破斷和垮落會產生一定的沖擊波。另外，巷道掘進煤層及頂板在上層煤的回采影響下會產生一定的應力集中，掘進擾動同樣會產生一定的沖擊動載荷。沖擊波會產生附加的動載，會造成圍巖中應力突變，破壞加劇；更會對已形成的支護結構造成沖擊，支護體積構件易破壞失效。

②若層間距較薄，巷道頂板受上層煤回采影響遭到一定破壞，錨桿、錨索的錨固性能受影響，作用會打折扣。錨桿和錨索的錨固性能是支護的根基，特別是有老空水存在的情況下。要密切觀測巖柱的厚度及鉆孔的鉆進響應，及時調整錨桿錨索的長度和錨固參數，保證錨固力，保障支護的可靠性。

③因為上層煤的采空，下層煤回采造成的擾動空間更大，回采階段超前支承壓力的影響會更大，巷道在超前影響及工作面端頭附近的壓力顯現會更大。上層煤回采后，下層煤巷道上部沒有較大范圍的自穩巖層結構，當回采超前支承壓力開始影響時，兩層煤之間的巖柱會承受較大的壓力，巷道變形會劇烈增加。要求支護的穩定性更高，要考慮回采時巷道變形的可控。

3 對策

針對以上巷道地質及采掘條件的概述，應切實重視北一111運輸巷的支護問題，要改變傳統觀念，積極采用國內先進的、成熟的設計理念和方法進行支護改革。在保證巷道安全高效掘進的同時，降低巷道綜合維護成本，為礦井的降本增效樹立典型。我們擬采取的方法及對策如下：

3.1 地質力學參數測試

進行地質力學測試，獲取地應力大小及方向、圍巖強度和圍巖結構等基礎參數，為支護設計奠定基礎。在進行巷道支護設計和施工及巷道變形破壞原因分析時應綜合考慮區域應力場、煤巖體強度和煤巖體結構等綜合因素。地質力學測試是進行巷道支護設計和施工的前期工作和必要手段，地質力學參數是保證設計和施工科學和安全的基礎數據。田陳煤礦井下構造復雜，區域差異性較大，煤層埋藏深度在-110～-1060m，建議在今后生產過程中針對開采水平以及地質條件的變化，不斷進行有針對性的測試工作，以期更詳細和準確地掌握井下地質力學狀況。

3.2 動態信息設計法

現有的錨桿支護設計方法很多，如基于以往經驗和圍巖分類的經驗設計法，基于某種假說和解析計算的理論設計法，以現場監測數據為基礎的監控設計法。大量實踐經驗證明，單獨采用任何一種方法都不符合巷道圍巖復雜性和多變性的特點，因而達不到理想的設計效果。只有采用包括試驗點調查和地質力學評估、初始設計、井下監測和信息反饋、修正設計和日常監測的動態信息設計方法，才是符合井下巷道圍巖特性的科學的設計方法。

動態信息設計法最重要的一環是進行礦壓監測、數據分析并反饋，監測數據是進行設計動態調整的依據。因此，要切實加強巷道礦壓的監測，并及時進行分析反饋，以便隨時調整支護參數。

3.3 高預應力強力一次支護

高預應力支護理論近年來得到了普遍的認可，已成功解決了諸如強烈動壓、沿空留巷、千米深井、軟巖等全國性支護難題，其要點包括：

①巷道圍巖變形主要包括兩部分：一是結構面離層、滑動、裂隙張開及新裂紋產生等擴容變形，屬于不連續變形；二是圍巖的彈性變形、峰值強度之前的塑性變形、錨固區整體變形，屬于連續變形。合理的巷道支護形式是，大幅度提高支護系統的初期支護剛度與強度，有效控制圍巖不連續變形，保持圍巖的完整性，同時支護系統應具有足夠的延伸率，允許巷道圍巖有較大的連續變形，使高應力得以釋放。

②預應力錨桿支護主要作用在于控制錨固區圍巖的離層、滑動、裂隙張開、新裂紋產生等擴容變形，使圍巖處于受壓狀態，抑制圍巖彎曲變形、拉伸與剪切破壞的出現，使圍巖成為承載的主體。

③錨桿預應力及其擴散對支護效果起著決定性作用。根據巷道條件確定合理的預應力，并使預應力實現有效擴散是支護設計的關鍵。單根錨桿預應力的作用范圍是很有限的，必須通過托板、鋼帶和金屬網等構件將錨桿預應力擴散到離錨桿更遠的圍巖中。

④預應力錨桿支護系統存在臨界支護剛度，即使錨固區不產生明顯離層和拉應力區所需要支護系統提供的剛度。

⑤錨桿支護對巷道圍巖石的彈性變形、峰值強度之前的塑性變形、錨固區整體變形等連續變形控制作用不明顯，要求支護系統應具有足夠的延伸率，使圍巖的連續變形得以釋放。

⑥對于復雜困難巷道，應采用高預應力、強力錨桿組合支護，應盡量一次支護就能有效控制圍巖變形與破壞，避免二次支護和巷道維修。

3.4 支護材料的優化和優選

前面提到，預應力及預應力的擴散是高預應力強力支護的核心，好的支護構件可以起到事半功倍的效果，因此根據礦井實際情況進行支護材料的優化和優選是降本增效的關鍵。

田陳煤礦計劃在北一111運輸巷進行支護材料的改革試驗，借鑒先進理念，優化調整部分支護材料，最大程度的降低支護密度。擬進行調整的支護材料包括：①錨桿及錨桿托板。錨桿不一定是強度越高越好，關鍵是強度的利用率，要選取適合的桿體。頂板采用？準18×2000左旋高強螺紋鋼樹脂錨桿，配k2535型樹脂錨固劑2支，錨桿托板采用鐵托盤為正方形，變更為可調心高強拱形托板，規格為150×150×10mm，用10mm鋼板壓制成弧形，改善桿體受力，易于施加高預應力，減少錨桿的受剪破斷。②錨索及托板。錨索材料在不增加直徑的情況下，可以改變鋼絞線結構，既增大了極限載荷，又增大了延伸率。托板選用可調心托板，改善受力，易于施加預應力。錨索采用Φ17.8mm鋼絞線，長度以錨入基巖不小于1.5m為準，錨索所用托盤為Q235A鋼板加工制作的“M”型專用托盤。③調整錨桿護表構件。傳統的鋼筋托梁在條件相對簡單時，使用方便，成本較低，當條件復雜時，易開裂、拉斷至失效。W鋼帶的厚度較小時，易發生受剪撕裂和受拉的脆性斷裂，且不能很好適應巷道成形。可以在111運輸巷試驗新型W鋼護板，既擴大錨桿作用范圍，實現預應力擴散，又不易撕裂破壞，應用后巷道成形好。

最終在高預應力支護體系下，保持低支護密度和高可靠性，實現經濟、安全的支護。

4 結論

①近距離煤層的開采一直是國內外行業研究的熱點和難點，田陳煤礦3上及3下煤同采，采掘相互擾動，常有巷道維護的難題。

②北一111運輸巷在不穩定的3上采空區下掘進，有不確定的因素會導致大變形，如采空區巖層斷裂及掘進層位應力集中掘進擾動產生的動載沖擊波、巷道頂板受上層煤回采影響破壞和本工作面回采時的巷道變形控制等。

③借鑒國內行業先進成功經驗，擬在運輸巷進行地質力學測試，采用動態信息設計法和高預應力支護理念進行支護試驗，在保證安全事故為零的前提下，加快了掘進進度日增加掘進進尺1.1m，以實現安全、經濟和高效快速掘進最大化。

參考文獻：

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