深井礦壓與采動影響巷道支護研究

包常勝，張 巍

（沈陽焦煤股份有限公司紅陽三礦，遼寧 沈陽 110100）

深井開采礦壓問題一直是影響礦山開發利用的重要因素，根據現有經驗可知，我國礦業開采深度以8m/年～12m/年速度增加，而東部礦區的開采深度會達到10-25m/年，隨著礦井的向下延伸，深井支護問題日益突顯。特別是，深井回采巷道從掘出到工作面回采變形明顯且劇烈，巷道圍巖表現出高地應力、高滲透壓、強流變、強烈開采擾動等，導致深井巷道支護問題成為采礦安全、高效開采的關鍵[1，2]。

井田位于遼河平原東部，井田面積49.11km2，礦井現開采深度在785m～1120m之間，最大水平主應力達到37MPa，深井開采因此面臨著高地應力挑戰，現根據工程實例對深井礦壓顯現規律進行分析，并研究相應支護解決辦法。

1 工程概況

試驗工程地點選取北二1210-2工作面（1#）運輸順槽中部200m段開展實驗研究，巷道掘進期間支護采用錨桿、金屬網、鋼帶、U型鋼腿聯合支護。該段巷道位于上部采空區遺留煤柱范圍內，在工作面回采期間受超前支撐應力與上幅煤柱應力影響區，巷道變形較為嚴重。為提高巷道支護強度，減少回采巷道變形，保證工作面的安全高效回采，對該條回采巷道進行礦壓研究和支護試驗。

2 深井巷道礦壓的顯現規律分析

2.1 回采動壓影響應力分析

為加強巷道高應力影響區域研究，對柱體內部應力變化狀況進行監測，設計在北二1210-2工作面（1#）運輸順槽軟幫礦層間隔30m布置一組應力在線監測測點，每組兩個測點、間距2m，埋設深度分別為8m、12m，布置長度隨著回采超前工作面不少于200m。通過對應力測點隨采動影響的變化分析，總結出工作面前方煤體應力的變化趨勢，見圖1、2。

圖1 運輸順槽應力監測測點7-1#

圖2 運輸順槽應力監測測點11-1#

通過分析，在工作面回采期間，隨著采空區域的不斷擴大，采空區上方巖層垂直應力向采場周圍實體煤轉移，在采空區四周形成一定范圍的支撐壓力區，巷道周邊固體礦物由原巖的三向主應力狀態變為雙向甚至單向受力，使周邊產生不同程度的破壞，集中應力逐漸向煤體深處轉移。在開采過程中，回采巷道應力升高區的壓力引起煤體變形，對巷道維護及頂板管理有這直接重要的影響。根據圖1順槽7-1#測點應力值在距工作面100m時，數值開始上升，在距工作面35m時達到峰值；圖2順槽11-1#測點應力值在距工作面120m時，監測數值開始升高，在距工作面20m左右達到峰值。根據監測分析，工作面回采期間前方0m至120m為采動應力影響范圍，其中距工作面20m～35m附近區域為應力峰值區域。

2.2 該段回采巷道礦壓顯現特點

上幅煤層開采引起回采空間周圍巖層應力重新分布造成煤柱區域應力集中，應力通過深部巖層傳遞，嚴重影響下層巷道的穩定。從巷道表面位移觀測數據分析，該為減少該段巷道受工作面的超前支撐應力及上覆煤柱應力疊加影響，巷道潰幫、底鼓明顯，需要對巷道進行擴幫、拉底、補強支護。

3 深井回采巷道支護技術研究

3.1 深井巷道圍巖控制技術

（1）改善圍巖控制理念，改進圍巖支護技術，探明覆巖活動規律，避免應力過度集中，減少圍巖變形量，充分發揮圍巖自承能力的同時采取必要的卸壓措施，變被動防范為主動控制，積極維護巷道的安全穩定[3]。

（2）加大對深部圍巖結構和巖層屬性的勘查力度，通過實驗室巖石物理力學實驗摸清巖體的內部結構和基本屬性，為現場施工提供資料參考；巷道支護過程中盡量采用聯合支護，借助錨桿、錨噴、錨索的錨固作用對巷道圍巖進行定點加固，采用U型鋼、梯形棚、工字鋼等鋼棚支護對巷道圍巖的松動破壞進行二次加固，防止圍巖發生較大變形，限制圍巖向深層破壞。

（3）由于受地壓的高應力、深部工作面采動影響作用，深井巷道周圍的原巖已轉化為軟巖狀態，圍巖變形特征主要表現為持續時間長、頂底板及兩幫位移量大、U型棚變形嚴重達不到支護效果，巷道整體變形嚴重。因此，應用“開窗口”卸壓技術，利用“先讓后抗”、“先柔后剛”的支護原理，實施開幫卸壓控制圍巖大變形的應力轉移新技術，改善巷道的承壓狀態，使巷道始終處于零壓狀態、減壓狀態。

（4）應用恒阻大變形錨索，解決深井巷道受煤柱集中應力、回采應力等多種應力疊加影響的問題，可以有效應對巷道頂板變形量大、高應力的支護特點，持續提供巷道頂板主動支護強度，降低對兩幫壓力的傳導，同時配合U型鋼棚等復合支護工藝，確保了卸壓后二次支護期間巷道的正常使用。

3.2 工程試驗應用

針對北二1210-2工作面（1#）運輸順槽巷道應力影響特點，在該段巷道距工作面120m距離前進行擴幫、拉底等擴修施工，為滿足運輸順槽綜采設備移動空間要求，擴修后巷道達到斷面5.4m×3.5m，并施工錨桿、恒阻大變形錨索及U鋼可縮梯形棚加強支護，具體支護形式如下（見圖3）。

3.2.1 施工幫錨桿

巷道擴面翻修后，重新補打幫錨桿加強巷幫支護。設計錨桿選用MSGLD-335/20型?20mm×2.2m的等強錨桿，間距為800mm、排距800mm，錨桿長度2200mm，每孔增加兩個錨固劑，錨桿外露長度為10mm～40mm，保證托盤緊貼巖壁與煤壁，嚴禁出現松動等情況。

3.2.2 補打頂板恒阻大變形錨索

因試驗巷道位于煤柱應力影響區域范圍內，工作面回采期間受到采動應力二次影響，巷道原頂板錨索失效，為加強頂板支護強度，設計補打恒阻大變形錨索提高支護強度。設計頂板恒阻錨索每排布置三根，排距為1.6m、間距為1.5m。所選用的錨索為21.7×6500mm鋼絞線為7股鋼絲扭制配用20mm厚鐵板加工的托盤。每根錨索均使用3根錨固劑，預緊力270kN。允許錨索外露的長度在250mm以上，在施工結束后，用擴孔鉆頭做擴孔施工，設置擴眼長度0.6m。擴孔結束后安裝錨索，錨固1h以上后將托盤套在恒阻器上，并使恒阻器通過外露的錨索線，此時恒阻器緊緊貼在巖壁上。

3.2.3 掛金屬網

金屬網采用8#鐵線編制成的70mm×80mm網孔，規格5m×1.1m。網片搭接長度在150mm以上，每隔150mm～200mm使用聯網工具將搭接處兩片金屬網擰緊成扣，且必須擰緊不少于2圈。

3.2.4 架設U鋼棚

設計U鋼棚梁長度為4600mm，兩節棚梁的長度為3m，搭接長度1400mm，搭接位置用六道卡子固定好。在棚腳位置選擇可伸縮的捧腿，長度3900mm左右；棚腿搭接長度為1170mm以上，設置叉角25%，棚距為1000m。剎幫柈6根、頂柈6根均勻布置，且二層柈以上，木柈接幫、接頂，棚梁上拉筋2道距梁端1.5m以內。

圖3 北二1210-2（1#）運輸順槽翻修支護設計圖

3.3 巷道變形觀測情況

本次工程試驗擴面翻修、支護完成后，在順槽沿著走向每間隔20m位置設置一組觀測點，通過觀測點對巷道變形情況進行評估。最終觀測結果顯示，巷道表面位移變形量較小，巷道礦壓顯現情況得到有效控制，取得預期效果。

4 結語

本文從紅陽三礦采動影響回采巷道礦壓顯現情況分析入手，通過對深井回采巷道支護應用試驗可知，在采用巷道擴面支護工藝后，巷道變形情況得到顯著改善，是深井高應力巷道支護中的成功案例，對于其他煤礦相似條件的支護有一定借鑒意義。