厚煤層采動影響巷道支護技術研究

梁欣欣

（霍州煤電集團呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦，山西 臨縣 033200）

龐龐塔煤礦面臨著工作面接替緊張問題，出現上個區段工作面還未開始開采，下區段工作面的區段平巷就已經掘進完成的情況，會造成下區段平巷受到上區段工作面開采而產生的采動影響，進而產生強烈的礦壓顯現，增加了下區段平巷的圍巖控制難度。因此，需要研究厚煤層采動影響巷道的礦壓顯現規律及圍巖控制技術，為類似厚煤層綜放開采回采巷道布置以及支護設計提供依據。

1 概況

龐龐塔煤礦現階段通過在相鄰工作面間留設區段煤柱的方法維護回采巷道，巷道與相鄰工作面區段運輸巷間區段煤柱寬度為30 m，區段回風平巷滯后相鄰區段運輸平巷掘進。9-3012 區段回風平巷將受到工作面回采時所產生的采動影響，當本工作面回采時，巷道會受到本工作面回采的二次采動影響。

通過煤巖樣物理力學試驗獲取其物理力學參數，見表1。

表1 煤巖體物理力學參數

9-3012 區段回風平巷所采煤巖樣物理力學性質分析：煤層的單軸抗壓強度為遠小于頂底板抗壓強度，整體強度較低，煤體裂隙發育且含有夾矸；煤層頂板主要為粗砂巖，強度大且較為堅硬，在試驗過程中完整性好，煤層頂板的巖性較為穩定；煤層底板主要為炭質泥巖，巖體易破碎，結合現場實踐，表明巷道底板承載能力較低，易出現底鼓。

2 采動影響巷道的變形破壞原因

2.1 采動影響巷道的變形破壞

采動影響巷道在相鄰工作面回采期間通常會出現以下變形破壞特征：（1）頂板中部出現裂縫破斷和開裂，導致W 鋼帶在中部斷裂，并出現“V”型擠壓破壞，頂板部分煤體破碎，金屬網出現明顯網兜，且部分區域金屬網出現撕裂現象；（2）兩幫整體發生不規則變形，幫部鋼筋梯子梁出現明顯扭曲變形，并有斷裂情況，部分錨桿失效；（3）巷道底板鼓起高度達400～500 mm，開裂現象明顯，底板破壞情況嚴重。如圖1 為頂板發生擠壓破壞。

圖1 “V”型擠壓破壞

2.2 采動影響巷道的變形破壞原因分析

通過分析采動影響巷道圍巖應力分布及覆巖結構，得到采動影響巷道圍巖有以下變形破壞原因：（1）巷道開挖后，煤巖體應力重新分布，形成新的應力平衡狀態，巷道局部產生應力集中。（2）受相鄰工作面的采動影響，巷道煤巖體的應力狀態再次被破壞，應力集中系數再次增大，煤巖體中產生大量次生裂隙。（3）由于巷道煤巖體內部節理裂隙發育，在應力狀態變化過程中發生錯動、滑移及剪切變形，在高應力作用下，巷道的表面將破壞。（4）煤層的厚度大，煤體無法承載采動引起的較大變形量，導致巷道表面發生破壞。隨著煤巖體的應力集中區域不斷向圍巖深部轉移，煤體破壞向深部深入。當巷道破壞區域超出支護作用范圍時，巷道將在一定范圍內再次破壞。（5）在采動影響下，巷道的變形破壞有面積大、時間久及持續深入等特點。（6）采動影響是個持續動態的過程，變形的程度顯著于未受采動影響的巷道；同時，由于巷道兩幫垂直應力的轉移，對底板形成的擠壓效果容易造成底鼓破壞，巷道頂板及兩幫的初次支護體的質量也會降低，二次支護（加強支護）變得更為困難。

總之，厚煤層回采巷道在采動影響下的失穩變形是巷道周圍煤巖體的高應力集中造成的，變形能的釋放及巷道圍巖應力分布的改變是巷道變形破壞的重要因素。

3 厚煤層采動影響巷道圍巖控制技術

3.1 原支護方案具體支護形式

回風平巷原支護方案采用“錨索（角錨索）+鋼帶+鋼筋梯+金屬網”的支護形式。（1）頂板支護采用Φ22 mm×2400 mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×900mm，樹脂錨固劑錨固，錨固長度為1200 mm；托盤均為130 mm×130 mm×10 mm 碟型托盤，網片均采用8#菱形網。（2）頂板中部錨索單排布置，且與錨桿布置在同一排，位于W 鋼帶的中部位置，排距為900 mm，采用Φ21.8 mm×10 300 mm 預應力鋼絞線；錨索托盤均采用250mm×250mm×16mm 蝶形托盤，頂板鋼帶均采用W 鋼帶。（3）幫部支護均采用Φ22 mm×2400 mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，排距均為1000 mm×900 mm，網片均采用8#菱形網，幫部鋼筋梯采用Φ12 mm 圓鋼加工，長度為3450 mm。原支護方案如圖2。

圖2 原支護方案

3.2 原支護存在的問題及解決方案

（1）支護密度不足以有效地控制采動影響巷道圍巖變形。（2）僅用W 鋼帶進行連接錨桿和單體錨索，W 鋼帶間的金屬網并不能有效承載破碎煤體。（3）矩形巷道肩角位置剪應力集中明顯，應該沿巷道掘進方向在角錨索位置布置鋼梁，角錨索位置距肩角部位距離為150 mm，距離過大。

解決方案：①應當加大初次支護密度，尤其是錨索支護密度，將W 鋼帶中部單體錨索替換為錨桿，增加錨索數量并單獨成排。②將單獨成排的錨索用工字鋼連接成一個整體，可配合連接錨桿的W 鋼帶增加巷道頂板的整體護表面積。③將角錨索布置在巷道肩角位置，同時在錨索上沿掘進方向增加工字鋼梁以達到更好地維護巷道煤體易破碎的肩角位置的目的。④在保障安全的前提下不斷對支護方案進行優化，使安全經濟相協調。

4 工程實踐

4.1 采動影響巷道控制方案

9-3012 回風平巷采用“錨索+角錨索+鋼帶+菱形網+鋼梁+鋼筋梯+組合錨索”支護形式，支護方案：頂板錨桿采用7 根Φ22 mm×2600 mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距800 mm×900 mm，近兩幫處錨桿向外側傾斜15°，其余錨桿垂直頂板布置，錨桿為樹脂錨固，用W 鋼帶連接，采用8#菱形金屬網。中間位置的單體錨索選用Φ21.8 mm×10 300 mm 預應力鋼絞線，排距1800 mm；兩側單體錨索選用Φ21.8 mm×8300 mm 預應力鋼絞線，間排距2100 mm×1800 mm，錨索采用11#礦用工字鋼進行連接；角錨索選用Φ21.8 mm×4500 mm 預應力鋼絞線，間排距5000 mm×1800 mm，錨索向巷道外側傾斜20°。組合錨索由1 根Φ21.8 mm×10 300 mm 和4 根Φ21.8 mm×8300 mm的預應力鋼絞線組成，組合錨索間排距為2000 mm×3600 mm。幫部錨桿采用Φ22 mm×2600 mm左旋無縱筋螺紋錨桿，間排距1000 mm×900 mm，上部錨桿距頂板300 mm，底部錨桿距底板600 mm，每排4 根錨桿。靠頂板處錨桿向上傾斜20°布置，靠底板錨桿向下傾斜20°布置，其余垂直兩幫布置。鋼筋梯子梁采用Φ12 mm 圓鋼焊制的鋼筋梁，長度3450 mm。優化后支護方案如圖3。

圖3 優化后支護方案

4.2 現場監測

為了更好地評價優化后支護方案的支護效果，對巷道圍巖變形量進行現場實測，巷道圍巖變形監測曲線如圖4。從圖中可看出，在新的支護方案下巷道兩幫變形量最終穩定在226 mm，頂底板變形量最終穩定在326 mm，優化支護方案能有效控制回風平巷在受采動影響條件下的圍巖變形，滿足礦井安全生產的需求。

圖4 巷道圍巖變形監測曲線

5 結論

（1）厚煤層回采巷道在采動影響下的失穩變形是由于巷道周圍煤巖體的高應力集中作用下產生的，煤巖體的變形能釋放及巷道周圍應力分布變化是巷道變形破壞的主要因素。

（2）優化支護方案（“錨索+鋼帶+菱形網+鋼梁+鋼筋梯+組合錨索”聯合支護）使巷道圍巖變形得到有效控制，頂板和兩幫變形最終均趨于穩定，巷道圍巖控制效果顯著。