采動影響下大斷面煤巷失穩機理與支護技術研究

崔瑞軍

（山西汾西礦業（集團）有限責任公司， 山西 介休 032000）

1 工程概況及支護難點分析

本采區主采2 號煤層，煤層厚度5.9～7.8 m，埋深280～300 m，煤層結構較為復雜，夾矸層較多，裂隙較發育，結構較松散，普氏系數為1.4。煤層直接頂為平均厚度2.7 m 的砂質泥巖；老頂為平均厚度9.2 m的粉砂巖，有平行和交錯層理；直接底為平均厚度1.6 m 的泥巖，遇水易膨脹。2102 工作面回風巷采用矩形斷面，斷面規格為5.2 m×3.5 m，巷道沿煤層底板掘進，采用常規的錨桿索聯合支護方式，斷層等圍巖破碎區有專項補強支護方案。

由于礦井采掘接續較為緊張，在2104 工作面回采尚未結束時，即開始進行2102 工作面回風巷的掘進，區段煤柱寬度為20 m，由于回采工作是后退式采煤，掘進工作是前進式掘進，采掘工作相向推進，存在動壓擾動及應力疊加情況。現場對2102 回風巷已掘進巷道進行調研，巷道在掘進之初就呈現出強應力擾動特點，礦方雖然在原有支護方式的基礎上進行了補強，但巷道頂板的沉降變形控制不理想，尤其是當巷道掘進位置與鄰近2104 工作面推進位置相遇時，受采煤工作面側向支承壓力、綜采工作面回采擾動、掘進工作面礦壓顯現等因素影響，自相遇位置向巷道前后側各約100 m 的區域，礦壓顯現異常強烈，表現為巷道頂板劇烈下沉，伴隨巷道底鼓及鼓幫，煤柱側巷道垮幫，巷道斷面嚴重收縮，錨桿索被拉斷、支護失效，局部區域出現巷道冒頂事故，無法正常使用，嚴重影響安全生產，亟需修復。

2 巷道圍巖失穩原因及特征分析

綜合運用現場調研、理論分析及文獻查閱等研究方法，對采動影響下巷道圍巖失穩原因及特征進行分析[1-3]。

2.1 應力疊加及采動影響大

2102 工作面回風巷掘進支護特殊之處在于掘進時鄰近的采煤工作面仍在推進，而鄰近的2104 工作面采高大，應力擾動范圍大，回采后所形成的側向支承壓力強度和范圍均較大，因此，當采煤工作面和掘進工作面相遇時，采煤工作面的側向支承壓力、采煤工作面回采后頂板垮落的應力擾動、掘進工作面自身的礦山壓力相互疊加，將會對掘進工作形成強應力擾動，巷道支護難度顯著增大。

2.2 巷道斷面大

由于該巷道所服務的2102 工作面為大型綜放工作面，為滿足設備進出、通風等要求，必須具備足夠的巷道斷面。而巷道斷面增大后圍巖擾動范圍增大，尤其是頂板中部易發生離層、冒落，是造成巷道支護困難的又一重要原因。

2.3 圍巖強度低，穩定性差

由于2 號煤層厚度5.9～7.8 m，而2102 工作面回風巷沿煤層底板掘進，故巷道兩幫及頂板均為軟弱煤體，相比巖石，煤體強度低，裂隙更為發育，自穩能力較差，受采掘工作擾動后更易破碎失穩，無法形成穩定的承載結構，擾動后的煤體載荷只能依靠外部支護來承擔，給支護工作帶來較大困難。

2.4 原有支護方式不合理

經現場調研已掘巷道及失修巷道的支護情況，發現巷道原有支護方式存在諸多不合理之處。

1）極為關鍵的錨索支護方式不合理，由于巷道頂煤較厚，直接頂軟弱，總厚度超過6.5 m，而原支護方式所使用的錨索長度僅6.3 m，錨索錨固點仍處于軟弱巖層中，沒有發揮出錨索的懸吊錨固作用。

2）錨索均垂直頂板打設，巷道兩端錨索無法對巷道肩窩剪應力最大區域實施加固，且未深入穩定巖層中，沒有與圍巖形成統一的承載結構。

3）巷道幫部使用普通錨桿支護無法抑制巷道鼓幫、變形，需要對支護方式進行改進。

3 巷道支護方案設計

3.1 巷道支護關鍵技術研究

巷道支護方案設計必須適應具體的地質生產條件，根據2102 工作面回風巷掘進及回采期間的不同支護需求，對其支護關鍵技術進行研究。在巷道掘進期間，重視巷道的一次支護效果，全力維護圍巖的整體性，使外部支護與圍巖協同作用，形成統一的承載結構[4]。

在巷道掘進期間，支護關鍵技術包括三個方面：一是在巷道頂板施工高預應力組合錨索，從而提高頂板圍巖整體性和強度。二是對幫部煤體實施高強錨梁網支護，對幫部煤體進行加固和控制，保持圍巖穩定。三是在巷道中部實施單體液壓支柱配合鉸接頂梁支護，對巷道頂板中部易離層區域實施重點支護，避免頂板離層引發的冒頂事故。

在工作面回采期間，對于巷道的維護仍十分關鍵，鑒于2102 工作面回風巷的特殊地質生產條件，工作面回采期間還需要對圍巖碎裂區域實施二次注漿加固，全面提高圍巖強度。同時，對進入工作面超前壓力影響范圍的重點區域，還應加強礦壓及支護監測，并實施補強加固措施，避免局部失穩破壞。

3.2 巷道修復支護方案設計

針對巷道修復工作，基于所做的巷道支護關鍵技術分析，設計頂板使用單體錨索配合組合錨索補強支護方案，如圖1 所示。單體錨索規格Φ17.8 mm×8 300 mm，為礦方原設計的補強方案。除此之外，重點增設一組組合錨索，錨索規格為Φ17.8 mm×8 800 mm，錨索鉆孔間距2 000 mm，排距為3 500 mm，每排的兩根錨索斜向外15°打設，使用專用錨索連接器進行固定，并施加不低于140 kN 的預緊力，使兩個錨索起到穩固的錨固作用。頂部錨桿沿用原支護錨桿參數及間排距（1 000 mm×1 000 mm），螺紋鋼錨桿為Φ20 mm×2 500 mm，巷道頂板完整區域不作補強，頂板破碎漏網等區域按原設計方案進行補打錨桿即可。幫部基礎支護沿用原支護錨桿參數，煤柱側為Φ18 mm×2 000 mm 螺紋鋼錨桿，實體煤側為Φ20 mm×2 000 mm 玻璃鋼錨桿。補強支護措施為：在實體煤側每兩根錨桿之間補打一根Φ20mm×2 000 mm 玻璃鋼錨桿，煤柱側在距頂板1 000 mm 處補打一根Φ18 mm×2 000 mm 螺紋鋼錨桿，并對破碎金屬網進行修補。除了實施錨網索支護，還須在巷道內進行外部支護，沿巷道中心線對稱架設兩排單體液壓支柱+金屬鉸接頂梁支護，間距2 000 mm，排距1 200 mm。

圖1 巷道修復支護方案示意圖（單位：mm）

在工作面回采期間，需要再次對所修復的200 m巷道圍巖進行加固，方案為超前工作面120～150 m實施注漿加固，每10 m 布置一組注漿孔，每組共6個注漿孔，頂板2 個，兩肩窩各1 個，兩幫各1 個，注漿孔打設3 m，使用水泥漿進行注漿，注漿壓力控制在2～2.5 MPa。

4 工程實踐

按照所設計的支護方案對巷道實施修復后，著重加強了巷道表面位移觀測及支護效果觀測。修復后的觀測周期共45 d，在45 d 內，巷道頂板下沉量累計達到186 mm，未觀測到頂板明顯離層及頂板漏冒、墜網現象。巷道兩幫移近量累計達到155 mm，鼓幫現象得到較好控制，煤柱側變形稍大，但整體處于穩定狀態，金屬網未出現破碎。在后期工作面回采過程中，當巷道進入工作面超前支承壓力影響范圍后，巷道圍巖變形量再次出現一次迅速增長期，礦方及時在巷道中部補打一排單體液壓支柱+金屬鉸接頂梁進行支護，并對鼓幫區域實施人工放煤及金屬網補連，有效緩解了礦壓顯現強度，保障了巷道正常使用及工作面安全回采。

5 結語

針對特殊的修復工程，采用多種關鍵技術對巷道進行支護，包括對頂板實施錨索補強支護，對巷幫補打錨桿進行支護，在巷道進入回采服務期后再對巷道圍巖實施注漿加固，較好地契合了2102 工作面回風巷的支護需求，在一定的支護成本投入后，成功實施了巷道修復并保障了后期使用，實現了預期的安全及技術目的。