煤柱下高應力區煤巷礦壓顯現原因及控制技術

馮智杰

（山西世德孫家溝煤礦有限公司，山西 保德 036600）

1 工程地質條件

孫家溝煤礦13313 工作面北部距原同保煤礦準備巷50 m，南部為13#煤北回風巷，西部為尚未開采的13#煤層，東部為13311 綜放工作面（工作面巷間保護煤柱寬25 m）。13313 工作面上方是11107工作面采空區，11107 工作面已于2016年底回采完畢，停采線距13#煤北回風巷200 m，13313 工作面與11107 工作面幾乎完全重疊，兩者垂直距離為17 m左右。13313 進風巷左幫上方為11107 工作面采空區煤柱 （煤柱寬30 m），13313 進風巷為留頂煤巷道，頂煤厚度10 m左右。

該工作面所采煤層為13#煤層，易自燃且煤塵有爆炸性。13313 進風巷走向長1 620 m，已掘進1 100 m左右，巷道地面標高+1 050～+1 100 m，井下標高+800～+840 m，平均埋深約250 m。13313進風巷平、剖面布置見圖1。

圖1 13313 進風巷平、剖面布置

2 局部異常礦壓顯現及原因分析

2.1 異常礦壓顯現

13313工作面進風巷走向總長1 620 m，已累計掘進1 100 m左右，由于13#煤與上方11#煤垂距17 m左右，最近處僅有9 m，且13313 進風巷正好處于上方11#煤工作面采后遺留煤柱邊緣。采用FLAC3D數值分析方法對煤柱作用下，13313 進風巷受力狀態進行分析，建模過程及模型參數詳見文獻[1]，限于篇幅，本文不再贅述。受遺留煤柱下方高應力區等影響，13313 進風巷在使用高預應力錨桿（索）聯合支護后，局部仍出現異常礦壓顯現，見圖2，主要表現為底鼓、兩幫移近、W鋼帶彎折、錨索破斷等[2]。

圖2 煤柱載荷作用下區域垂直應力分布（單位/MPa）

（1）13313 進風巷多處出現底鼓和兩幫移近現象，嚴重部位兩幫移近量在200 mm左右，底鼓量達到600 mm。

（2）630～650 m里程范圍多處頂板出現W鋼帶彎折現象，見圖3。

圖3 頂板W 鋼帶彎折

（3）900～930 m里程范圍多處頂板出現錨索斷裂現象，見圖4。

圖4 頂板錨索破斷

2.2 誘發原因分析

為探究導致上述異常礦壓顯現的原因，在重點部位開展頂板圍巖結構鉆孔窺視并評估其穩定性，同時分析巷道全斷面錨桿（索）受力特征，了解其工作狀態。

（1）頂板圍巖結構鉆孔窺視

由圖5至圖8不難發現，頂板錨索錨固范圍內煤層完整性較好，雖含有多層夾矸，但并未出現明顯離層現象，受11#煤遺留煤柱下方高應力區及巷道掘進影響13313 進風巷頂板仍能保持較好穩定性。

圖5 852 m 里程處頂板圍巖結構

（2）錨桿（索）受力

分析圖6中錨桿（索）受力曲線可知，頂板5.2 m錨索初始施加預緊力都在200 kN以上，達到了高預應力的效果。由于巷道圍巖處于高應力區，隨后5.2 m錨索受力明顯增加，最終大多能夠穩定在一定數值，但此時錨索受力量值較大（平均達到400 kN），甚至個別錨索受力始終在增加且超過600 kN（超過錨索自身最大受力530 kN的極限值，錨索可能發生破斷）。頂板8.2 m錨索初始施加預緊力都在200 kN以上，達到了高預應力的效果，由于巷道圍巖處于高應力區，錨索受力始終在增加，目前錨索受力量值較大（平均達到400 kN，最大達到480 kN）。幫部錨桿初始施加預緊力都在50 kN以上，達到了高預應力的效果，由于巷道圍巖處于高應力區，553 m里程處測站錨桿受力在增加一定數值后基本能夠保持穩定，目前受力穩定在150 kN左右（接近錨桿桿體屈服載荷）。幫部錨索初始施加預緊力在100 kN左右，由于巷道圍巖處于高應力區，錨索受力始終在增加，目前受力平均值在180 kN左右。

圖6 553 m 里程處測站錨桿（索）受力分析

（3）誘發異常礦壓顯現原因分析

①根本原因：13313 進風巷正好布置在11#煤回采后遺留煤柱下方邊緣處，正處于煤柱下方高應力區，圍巖應力非常高，巷道穩定性難以控制[3-4]。

②異常礦壓顯現最嚴重部位900～930 m里程范圍為整個13313 工作面最低點，圍巖應力在此處集中程度更高，同時11#煤采空區涌水更易向低點流動，造成此處頂板淋水嚴重，影響頂板的穩定性與錨固結構的強度。

③幫部支護強度仍偏弱，造成兩幫移近與頂板水平錯動，進而使頂板W鋼帶彎折、錨索發生剪切破斷。

④由于巷道圍巖處于高應力區，頂板與兩幫在采取高預應力強力錨桿（索）組合支護后，圍巖高應力更易在相對薄弱的底板釋放，進而引起巷道局部發生底鼓現象[5-6]。

3 初步控制技術措施及巷道布置建議

3.1 初步控制技術措施

（1）在頂板發生錨索破斷處重新補打1×19 結構，直徑21.8 mm，長度8 200 mm錨索。

（2）建議后續施工中將頂板原始使用1×7 結構，直徑21.6 mm，長度8 200 mm錨索全部更換為1×19 結構，直徑21.8 mm，長度8 200 mm錨索（最大力延伸率更高，抗剪切能力更強）并配合使用鋼筋梯梁。

（3）嚴格控制巷道施工與支護質量，加強綜合礦壓監測數據采集與分析工作 （圍巖表面位移、頂板離層及錨桿、錨索受力等），定期開展頂板圍巖結構鉆孔窺視，密切關注圍巖變形破壞情況。

如巷道后續掘進及服務回采過程中大范圍出現異常礦壓顯現，掘進期間建議將頂板錨索全部更換為1×19 結構，直徑21.8 mm錨索且長度8 200 mm錨索配合使用鋼筋梯梁，幫部錨桿直徑變更為22 mm且左右兩幫都進行錨索補強；工作面回采期間對頂板進行卸壓（水力壓裂切頂卸壓），從根本上解決問題。

3.2 巷道布置建議

現場觀測發現，處于煤柱邊緣正下方的左幫受上位煤層遺留區段煤柱影響較大，而相對遠離煤柱的右幫受影響較小，說明巷道右幫穩定性優于左幫。下一工作面回風巷可考慮增加內錯距離，適當向上位煤層11107 工作面采空區方向移動，布置在遠離上位煤柱影響區域。

4 結語

13313進風巷正好布置在11#煤遺留煤柱下方邊緣處，正處于煤柱下方高應力區，巷道圍巖穩定性難以控制。加之煤柱正上方為11#煤順槽最低點，造成此處頂板淋水嚴重，影響頂板的穩定性與錨固結構的強度，在二者共同作用下，出現巷道局部礦壓顯現劇烈情況。針對現場巷道變形大，難控制的現狀，基于原因分析，提出采用全錨索支護頂板，錨索直徑21.8 mm，長度8 200 mm；幫部錨桿直徑增加為22 mm，且左右兩幫都進行錨索補強；工作面回采期間對頂板進行卸壓（水力壓裂切頂卸壓）。