回采工作面多巷布置復用巷道全錨索支護技術研究

岳延朋，王 濤，孫志勇

(1.山西天地王坡煤業有限公司,山西 晉城 048000；2.天地科技股份有限公司 開采設計事業部，北京 100013；3.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013)

王坡煤業為高瓦斯礦井，主采3#煤層，采用綜放開采工藝。為了有效解決運輸、通風及瓦斯等問題，工作面采用多巷布置的方式，同時為提高采掘銜接效率，這種布置方式下的外圍巷道需要保留復用，其不僅受到本工作面超前與后方支承壓力作用，而且會受下一個工作面超前支承壓力的影響，復用巷道服務于兩個回采工作面，服務時間長，該類巷道圍巖變形控制較為困難。

針對復用巷道支護問題，國內外學者已經進行了一些研究工作。如晉城礦區針對大采高、綜放工作面留巷生產地質條件，采用數值模擬方法研究了不同煤柱寬度下煤柱應力分布特征、塑性區范圍[1]。也有研究人員結合煤柱應力監測、鉆孔結構觀察等手段，對留巷礦壓顯現規律進行研究，確定了留巷的護巷煤柱寬度[2-4]。康紅普[5-7]、吳擁政[8]等開發出了高預應力、強力錨桿與錨索支護系統，在沿空留巷及受強采動影響巷道中得到了成功應用，有效控制了圍巖強烈變形；該系統在晉城礦區的部分留巷巷道中也得到了初步應用，并取得了較好的支護效果[9-10]。

筆者基于王坡煤業工作面多巷布置復用巷道地質與生產條件，通過現場實測和數值模擬，研究復用巷道采動應力場分布規律和圍巖變形、破壞特征及影響因素，以期為分層聯合支護提供技術支持。

1 工程概況

1.1 工作面概況

王坡煤業3308工作面開采3#煤層，回采長度為2 035 m，工作面長度為180 m，埋深為500～750 m，工作面煤層平均厚度為5.27 m，煤層平均傾角6°，為近水平穩定煤層。煤體受采動影響后易產生次生裂隙擴展變形導致煤體強度弱化，承載能力降低。3308工作面巷道布置如圖1所示。

圖1 3308工作面巷道布置圖

3308工作面東西兩側共布置3條巷道，3308工作面運輸巷和3306工作面運輸巷均為復用巷道，3310工作面已采完，3308工作面回風巷為新掘進一次性使用巷道。3308工作面采用一進一回U型通風方式，3308工作面回風巷掘進同時在其外側35 m處掘進3306工作面運輸巷作為抽采輔助巷抽排3308工作面采空區瓦斯。3306工作面運輸巷沿煤層頂板掘進，在3308工作面回采后將其保留并作為相鄰3306工作面進風巷繼續使用。根據3308工作面運輸巷支護現狀和礦壓顯現規律，3306工作面運輸巷也采用類似支護方式，其在受到動壓影響后勢必會產生大變形導致后期維護困難。

1.2 地質力學參數測試

為了更全面地了解3306工作面運輸巷煤巖體地質力學性質，在3308工作面運輸巷和回風巷掘進成型后分別布置測站進行地應力、圍巖強度測定[11]。地應力測試結果如表1所示。

表1 3308工作面地應力測試結果

由表1可以看出，所測區域應力排序為σH>σv>σh，應力場為最大水平主應力占優勢的高應力值區域，最大水平主應力方向為NW33.6°～36.6°，2個測點應力方向具有很好的一致性。

采用鉆孔觸探法在3308工作面巷道幫、頂布置6個測點對深度10 m范圍內煤巖體強度進行測試。圍巖強度測試結果如圖2所示。

(a)頂板巖體強度

由圖2可以看出，頂板以上0～8.2 m為泥巖，巖層抗壓強度平均值為19.88 MPa；8.2～10.0 m為中砂巖，巖層抗壓強度平均值為59.37 MPa。幫部煤體強度平均值為15.42 MPa。

采用礦用電子鉆孔窺視儀對6個鉆孔的幫、頂煤體圍巖結構進行觀察，結果表明：頂板0～8.2 m為泥巖；8.2～14.5 m為中砂巖；14.5～19.5 m為粉砂質泥巖；19.5～20.4 m為細砂巖；20.4～23.0 m為粉砂質泥巖；0～2.9 m裂隙發育，巖層完整性差；2.9～22.8 m整體巖層完整性好，局部夾泥巖薄層，微裂隙發育。幫部煤體0～1.4 m完整；1.4～2.4 m松軟破碎，完整性差；2.4 m后塌孔現象普遍。

結合井下復用巷道頂板圍巖淋水區域變形更為強烈的特點，選取不同層位頂板泥巖巖樣進行成分分析和鑒定，X-射線衍射結果如表2所示。

表2 黏土礦物X-射線衍射分析結果

地質力學參數測試結果表明，3308工作面地應力側壓系數為1.22，最大水平主應力占主導作用，水平應力對巷道頂底圍巖變形的影響大于巷幫，應加強頂板支護。巷道支護范圍內煤巖體具有強度低，煤體內次生裂隙發育，頂板泥巖中伊蒙混層、高嶺石等黏土礦物含量高等特點;圍巖屬松散破碎軟巖，易風化和遇水膨脹軟化。

1.3 復用巷道支護現狀

3308工作面運輸巷采用錨桿、索支護，其中錨桿鋼號MG500，直徑22 mm，長度2.4 m，間排距0.9 m×1.0 m；錨索為1×19股高強度礦用鋼絞線，直徑22 mm，幫、頂長度分別為4.3、6.3 m，間排距為1.2 m×1.0 m；金屬網采用機織菱形網，網格尺寸為50 mm×50 mm。掘進期間巷道圍巖變形很小。受3310工作面回采動壓影響，巷道全斷面收縮變形嚴重，具體表現為頂板錨桿、索破斷，圍巖風化破碎、下沉、網兜明顯，部分網片被錨索托盤拉穿撕破，鋼帶彎折、撕裂；局部區域巷幫鼓包嚴重，煤柱側幫變形較大，強烈底鼓；頂板下沉量達到325 mm，底鼓量達到1 200 mm，兩幫移近量達到600 mm。因此，需要投入大量人力、物力對巷道進行維護才能滿足復用要求。

2 采動應力影響下復用巷道圍巖變形破壞規律研究

以3308工作面運輸巷為研究對象，采用FLAC3D軟件建立數值模型，基于動壓的影響，對復用巷道不同回采階段采動應力和圍巖表面位移進行監測。研究不同回采階段巷道圍巖應力分布、變形及破壞特征，分析復用巷道圍巖變形破壞影響因素。

2.1 工作面回采過程采動應力場分布

3310工作面開采后在工作面前方形成影響范圍約40 m的較高支承壓力區，應力峰值位于工作面前方10 m左右，集中系數為2.28。在3310工作面后方，3308工作面運輸巷護巷煤柱偏工作面側應力集中顯著，峰值達到46 MPa，集中應力對3308工作面運輸巷圍巖應力產生了明顯的擾動，應力分布三維云圖如圖3所示。

(a)3310工作面回采后方應力分布垂直剖面云圖

由圖3可以看出，3310工作面開采后，側向支承壓力與3308工作面運輸巷掘進擾動壓力相疊加，巷道圍巖呈現非對稱性高應力分布特征，煤柱側承受更高的垂直應力。3308工作面運輸巷巷幫、頂底板塑性區范圍明顯增大，頂板出現2.8 m左右的塑性區，底板破壞深度達2.2 m，煤柱側巷幫的塑性區寬度達到2.6 m，實體煤側巷幫的塑性區寬度為2.1 m。

2.2 采動影響復用巷道變形破壞特征

結合3308工作面運輸巷圍巖自身特征、所處工程力學環境，以及對3310工作面回采期間礦壓監測數據進行分析，可知復用巷道變形有以下特征：

1)圍巖變形持續時間長。復用巷道圍巖變形經歷巷道掘進影響、本工作面超前采動影響、本工作面后方采動影響及下一個工作面超前采動影響4個階段。復用巷道圍巖位移分布曲線如圖4所示。

圖4 復用巷道圍巖位移分布曲線

采動影響期間巖體具有顯著的流變性，故其變形具有明顯的時效性，大致分為劇烈變形、緩慢變形和穩定變形3個階段。

2)圍巖變形量大。圍巖呈現全斷面收縮變形。全生命周期全斷面收縮變形量大，其中在滯后3310工作面和3308工作面回采超前支承壓力影響期間變形量占總變形量80%以上；滯后本工作面約200～300 m，第一階段采動影響下圍巖變形趨于穩定。

3)圍巖變形的空間效應。圍巖變形對應力變化非常敏感，巷道來壓方向表現為四周來壓，礦壓顯現強烈。

4)圍巖顯著變形導致支護體及其構件被嚴重破壞。錨桿、索破斷，托板壓翻、壓平甚至壓裂，W鋼帶發生嚴重彎曲甚至撕裂，金屬網出現大網兜、被撕破，往往需要采用木垛、單體柱或木點柱進行加強支護以防止頂板漏冒。

2.3 復用巷道圍巖變形影響因素

通過分析歸納可知，影響復用巷道變形的主要因素有以下幾點：

1)3308工作面埋深達到700 m以上，地應力水平高。根據井下實測數據可知，地應力處于高應力值區域，其最大水平主應力的方向為NW36.6°方向，與井下巷道軸向方向均呈現斜交，不利于巷道維護。

2)3308工作面區域頂板泥巖厚度為8.2 m，抗壓強度低，易風化、遇水易膨脹的黏土礦物含量高。巷幫煤體含有豐富的原生節理裂隙，受采掘動壓擾動影響，極易產生碎脹變形。在低強度的松散破碎圍巖條件下支護承載結構穩定性差，支護承載結構對采動應力變化非常敏感，不利于巷道維護。

3)3#煤層厚度大、采動應力集中系數高、來壓強度大、影響范圍廣。巷道服務于2個回采工作面，服務時間長，多次動壓影響加劇了巷道圍巖變形。

4)支護參數不合理。通過現場實測和數值模擬分析表明，3310工作面回采完畢后巷幫、頂板煤巖體產生塑性破壞的深度均超過錨桿錨固深度范圍，一旦煤巖體內裂隙發育深度超過錨桿支護范圍，錨桿在破碎低圍壓條件下錨固力會急劇降低。錨桿與破裂煤巖體將同步向巷道空間內變形運移，進而造成錨桿支護失效。當煤巖體持續變形超過錨桿、錨索極限延伸量時，則出現錨桿/索破斷現象。應根據地質與生產條件變化、圍巖變形特點，選擇合理的支護形式與參數。

3 采動影響下復用巷道圍巖變形控制原理

通過前述分析可知，3308工作面運輸巷產生變形破壞的主要原因是原巖應力高、松散破碎圍巖條件下復用巷道受3310工作面產生的高水平采動應力擾動影響，錨桿(索)支護與巷幫頂板煤巖體形成的承載結構承載力相對偏弱，難以控制巷幫、頂板煤巖體的擴容碎脹變形，圍巖內部裂隙擴展發育深度超過錨桿支護范圍，造成錨桿支護失效，支護承載結構性能弱化，圍巖失穩破壞進而產生大變形。

相關研究表明[12-13]，卸壓能弱化采動應力擾動影響，提高支護承載能力，是減小動壓影響復用巷道圍巖變形的有效手段。采用放炮、水力壓裂等技術預裂弱化工作面端頭上覆巖層，優化工作面回采形成的懸臂梁結構，能有效降低復用巷道煤柱載荷。在王坡煤業部分工作面也進行了卸壓技術試驗，但卸壓效果存在著不確定性，限制了其應用，類似地質條件下卸壓機理仍需要進一步研究。

錨索具有錨固深度大、承載能力高、可施加高預應力的特點，能顯著提高支護系統的強度與剛度，增強煤巖體的承載能力，因此能夠獲得比較理想的支護效果[14-15]。高應力、高延伸率強力錨索全斷面支護技術是大變形復用巷道的有效支護方式。高預應力全錨索支護技術能提高支護體錨固深度及施加更大的預緊力，從而增加拱形承載結構的總厚度；采用合理的間排距，保證單根錨索施加的高預應力相互疊加，從而為承載結構提供更高的圍壓；增大煤巖體的內摩擦角和黏聚力，提高復用巷道圍巖的抗剪強度和抗拉強度及整體性，從而大幅度提高煤巖體的支護強度。同時錨索的高延伸率能提高煤巖體的支護剛度，允許復用巷道在采動應力影響下圍巖有一定的彈塑性整體變形，避免離層、滑動和裂隙張開等導致圍巖強度降低的有害擴容變形，保證支護系統適應性[16-20]。

4 工業性試驗

4.1 支護方案

基于上述理論分析對3306工作面運輸巷支護方案進行優化，并開展全錨索支護方式試驗。支護布置方式如圖5所示。

圖5 3306工作面運輸巷全錨索支護布置圖

1)頂板支護參數。錨索規格為SKP22-1/1 860-4 300/6 300。4.3 m錨索間排距為1.1 m，每排布置5根，垂直于頂板布設；6.3 m錨索間距為1.5 m和3.0 m，排距為1.1 m，每排布置2根，布置在兩排短錨索之間。錨索配合采用300 mm×300 mm×16 mm高強度拱形托板和調心球墊；長、短錨索設計張拉力為310 kN，損失后不低于250 kN。采用鋼筋網+塑料網雙層網護表，鋼筋網采用?6.5 mm鋼筋焊接，網孔規格為100 mm×100 mm，掘進成型后對頂板進行噴漿封閉。

2)巷幫支護參數。錨索規格為SKP22-1/1 860-4 300。巷幫錨索間距為0.9 m、排距為1.1 m，每排布置4根，垂直于巷幫布設。巷幫錨索設計張拉力為210 kN，損失后不低于150 kN。護表金屬網網格尺寸為50 mm×50 mm,由8#鉛絲編織而成。

4.2 井下礦壓監測與分析

4.2.1 圍巖表面位移

3306工作面回采期間復用巷道圍巖變形監測結果如圖6所示。

(a)1#測站

由圖6可以看出，3306工作面運輸巷掘進期間變形量很小，工作面超前支承壓力對巷道影響并不明顯，在3308工作面后方50 m范圍內，巷道變形量不大；50～250 m變形量明顯增大；超過工作面后方250 m范圍變形速度逐漸減小，并趨于穩定，巷道兩幫最大移近量為140 mm，頂板下沉量最大為130 mm，底鼓量最大為240 mm。總體來說，巷道位移較小。與3308工作面運輸巷相比，動壓影響期間兩幫、頂板和底板變形量分別降低了75%、60%和80%，取得了較好的支護效果。

4.2.2 錨索受力

3306工作面回采期間錨索軸向拉力監測曲線如圖7所示。

(a)巷幫錨索

由圖7可以看出，在工作面后方巷幫錨索受力變化幅度較小，工作面后方約150 m處錨索受力趨于平穩，最大受力為194 kN；頂板錨索拉力變化幅度較大，在工作面后方約100 m處逐漸增大，至工作面后方約300 m處錨索受力趨于平穩，最大受力達到400 kN。巷幫、頂板錨索受力均未達到極限破斷力，說明全錨索支護技術較好地控制了頂板圍巖的較大變形，支護效果較好。

5 結論

1)王坡煤業3308工作面應力場為σH>σv>σh，應力場為最大水平主應力占主導作用的高應力值區域，最大水平主應力方向為NW33.6°～36.6°。巷道支護范圍內煤巖體具有抗壓強度低，煤體內次生裂隙發育，頂板泥巖中伊蒙混層、高嶺石等黏土礦物含量高等特點；巷道圍巖屬松散破碎軟巖，易風化且遇水膨脹軟化。

2)復用巷道圍巖變形具有持續時間長、全斷面收縮變形量大、空間效應明顯等特征，并伴隨有支護體及其構件嚴重破壞等現象。復用巷道變形破壞的主要原因是在高原巖應力松散破碎圍巖條件下復用巷道受工作面產生的高水平采動應力擾動影響，圍巖承載力不足，圍巖塑性破壞深度超過錨桿支護范圍，圍巖承載力進一步弱化，圍巖失穩破壞進而產生大變形。

3)錨索具有錨固深度大、承載能力強、可施加高預應力的特點，能顯著提高支護系統的強度與剛度，增強煤巖體的承載能力，因此能夠獲得比較理想的支護效果。高應力、高延伸率強力錨索全斷面支護技術是大變形復用巷道的有效支護方式。

4)工業性試驗表明：采用長、短錨索分層聯合支護的方式可有效控制復用巷道圍巖變形，采動影響期間巷道兩幫最大移近量為140 mm，頂板下沉量最大為130 mm，與錨桿、索支護方式相比圍巖變形量整體降低60%以上；錨索受力位于合理范圍，且能趨于穩定，支護效果較好。