回采巷道變形破壞機理分析及支護技術探討

喬康康，王光烈，段洋洋

（潞安集團慈林山煤業有限公司慈林山煤礦，山西 長治 046000）

1 工作面概況

常村煤礦11221 綜采工作面位于該礦11 采區東翼，工作面東至11 采區軌道、皮帶、回風上山，西為未開拓區域，南為11201 準備工作面，北為未采區域。工作面標高-100～-166 m，地面標高+539.7～+575.9 m，工作面主采3#煤層，煤層厚度5.2～6.9 m，平均5.3 m，煤層傾角為5°～18°，平均12°。工作面煤層老頂為中粒砂巖，巖性較硬，直接頂為砂質泥巖，巖性較軟，強度較低，直接底為泥巖、砂質泥巖，巖性較軟，老底為砂質泥巖、粉砂巖，具體情況見表1。

2 原巷道支護形式及圍巖變形破壞特征分析

2.1 11221工作面進風順槽原巷道支護形式

11221 進風順槽原巷道設計為矩形斷面，巷道凈寬4 200 mm，凈高3 000 mm，凈斷面12.6 m2；采用錨網索聯合支護，頂部及巷道兩幫采用規格為Ф18 mm×2 000 mm螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為800 mm×800 mm。巷道頂部采用Ф17.8 mm×6 200 mm鋼絞線錨索補強加固，錨索間排距1 600 mm×800 mm。

表1 11221 工作面煤層頂底板情況

2.2 巷道圍巖變形破壞特征

11221 工作面進風順槽采用原錨網索聯合支護形式后，在工作面回采期間，受地質條件及工作面采動影響，巷道圍巖出現了較大破壞變形，具有特征如下：

（1）巷道頂板局部破碎嚴重、下沉明顯。通過現場觀測，11221 工作面進風順槽在工作面回采期間，巷道頂板出現明顯下沉現象，下沉量平均在800～1 000 mm，局部頂板破碎較為嚴重，出現網兜或漏頂現象。

（2）巷道兩幫外鼓嚴重、移近量較大。通過測量發現，巷道兩幫出現明顯鼓幫，局部煤體片幫較為嚴重現象，巷道幫部移近量最大達到1 500 mm，平均在1 000 mm左右，并且巷道兩幫移近變形量大小不一致，出現明顯的變形不對稱性。

（3）巷道底板鼓起，底鼓量大。通過現場觀察，11221 工作面進風巷70%的巷道底板出現明顯底鼓現象，并且大部分地段底鼓較為嚴重。

另外，巷道內有部分錨桿、錨索出現斷裂、托盤脫落、鋼筋網破裂，錨桿（索）出現支護失效現象，整個巷道斷面收縮量達到35%以上，給工作面安全生產帶來較大安全隱患。

3 巷道圍巖變形破壞機理分析

1)結構特征引起的圍巖流體變形影響。11221工作面進風順槽巷道頂底板巖層結構中均含有泥巖結構成分，且煤體普氏硬度系數為f=0.5，巖體普氏硬度系數為f=2～3，煤巖體整體強度低，自承載能力比較差。同時，因工作面地質構造較為復雜，且埋藏深度比較深，達到600 m以上，巷道圍巖應力大。綜上分析得出，11221 進風順槽巷道圍巖整體結構特征為節理發育、易膨脹變形，屬于軟巖結構。該圍巖結構特征在受工作面采動影響情況下極易發生流體變形，是導致巷道出現大范圍破壞變形的重要影響因素［1-2］。

2)煤巖層傾角較大，存在受力變形不對稱現象。11221 工作面進風順槽煤層傾角在5°～18°，平均15°，由于煤巖層呈傾斜產狀布置，且傾角較大，導致巷道圍巖受力出現明顯的不對稱性。在巷道開掘后，巖體變形、應力分布特征也表現為不對稱性。巷道頂部左側和底板右側及巖體傾斜方向呈現銳角，巖體在側向方向上受到的約束較大，在垂直和水平方向受到的應力作用下，產生的變形量較小。而在巷道的頂部右側和底板左側巖層傾斜方向表現出鈍角，巖體在側向方向上受到的約束較小，在垂直和水平方向的應力作用下，易產生剪切破壞變形［3-4］。

3)巷道原采用的錨桿（索）聯合支護方式整體剛性較高、讓壓能力差、柔性低，在易發生破壞變形的巷道中支護效果差。在巷道原支護形式下，由于受到剪切應力的作用，巷道頂部右側肩窩及左側幫角處巷道圍巖易發生塑性變形，錨桿、錨索容易出現被拉斷現象，在巷道局部區域產生松動破壞。巷道在工作面回采過程中受到采動應力、擠壓應力等作用下，其破壞變形的區域范圍會逐漸增大，進而造成整個巷道的變形失穩，從而導致巷道頂板下沉量、底板鼓起量及幫部位移量明顯增大［4］。

4 巷道返修支護方案設計

4.1 恒阻讓壓支護機理

巖層特性較軟的巷道在高應力作用情況下，容易造成大范圍區域的塑性變形，在該變形條件作用下，圍巖會給巷道支護體系造成兩種力學反應。一是巷道圍巖應力中包含的剪應力和切應力減小，圍巖應力對巷道支護體系的應力載荷出現減小。二是圍巖應力集中區域會逐步向深部區域移動，在深部區域，圍巖應力仍舊處于空間應力狀態，其主要表現為極限承壓能力高，應力集中造成的破壞小。所以，在設計巷道支護方案時要將深部圍巖的特性充分考慮進去。

在巷道采用恒阻讓壓耦合支護方式時，局部巷道會出現較大區域圍巖變形破壞，利用恒阻錨桿將巷道圍巖在高應力變形破壞積聚的能量進行釋放。在局部巷道圍巖經過多次應力分布調整和能量的變形釋放，支護體系形成的支護阻力和巷道圍巖變形產生的壓力達到平衡，從而使巷道內的支護體與巷道圍巖形成共同承載壓力載荷的狀態。

與此同時，對巷道頂板圍巖進行強化支護，強度較軟的煤巖層頂板節理發育，在巷道開掘后，頂板圍巖變形明顯。下部頂板巖層在受到上部巖層的擠壓作用下，容易造成巖層間的離層和塑性變形，導致發生頂板冒落，對頂板巖層整體穩定性造成較大影響。因此，在對巷道返修進行支護時，要強化頂板巖層的支護管理。

在深度應力影響條件下，巷道幫部的煤巖體會受到工作面的采動應力和巷道圍巖應力等應力場的相互疊加作用，所以，巷道幫部煤巖體的變形破壞對巷道圍巖承載結構影響最大。因此，在巷道返修進行支護設計時，要結合巷道幫部實際支護情況，讓巷道兩幫預留一定的變形余地，能給巷道圍巖內部積聚的高應力能量留存釋放空間，減小巷道圍巖應力變形破壞，在進行巷道支護時能有效降低難度，提高了巷道支護效果。

4.2 巷道返修支護設計

根據11221 進風順槽巷道圍巖變形破壞特征，在對11221 進風順槽巷道返修支護設計中，采用“錨索+ 恒阻大變形錨桿+ 鋼帶梁+ 底部注漿錨管”的方案。巷道返修作業時先對巷道表層進行薄噴，然后再進行錨網索支護，采取該種方案擴修后巷道頂底板及幫部變形得到有效控制。巷道返修支護具體參數見圖1。

圖1 巷道返修支護設計

4.3 實施效果分析

在11221 進風順槽進行返修后，采用“十字交叉”法對巷道圍巖變形情況進行了觀測。通過對觀測數據的采集整理分析，得到圖2 中的曲線。由圖2中變化曲線可知，采用上述支護方案對巷道進行擴修支護后，巷道頂板下沉量為110 mm，底臌量280 mm，巷道兩幫變形量為200 mm；與返修前相比，巷道頂底板及兩幫變形量明顯減小，且變形量大小在設計允許范圍內，達到了返修支護的要求。

圖2 返修后巷道圍巖變形曲線

4 結語

1）通過對巷道圍巖變形破壞特征及破壞機理分析可知，煤巖層傾角較大的軟巖巷道，存在受力變形不對稱現象，巷道圍巖容易出現剪切破壞，同時在工作面采動影響下，極易出現流體變形，采用剛性高、讓壓能力差、柔性低的錨網索支護時，支護效果較差。

2）采用恒阻讓壓耦合支護方式對軟巖易變形巷道進行支護時，能給巷道圍巖內部積聚的高應力能量留存釋放空間，減小巷道圍巖應力變形破壞，在進行巷道支護時能有效降低難度，提高了巷道支護效果。

3）常村煤礦11221 工作面進風順槽返修時采用恒阻讓壓耦合支護設計方案進行施工，對軟巖巷道圍巖變形進行了有效控制，現場觀測結果表明，巷道圍巖變形量明顯降低，支護效果達到了設計要求。