多次動壓影響煤巷圍巖變形規律及支護技術

趙國旺

(銅川礦務局有限公司冶坪分公司， 陜西 銅川市 727102)

0 引言

受采動影響的回采巷道，在開挖的過程中，周邊應力場已經存在擾動，加上工作面回采過程中的支承壓力，會導致巷道產生較大變形。基于地質以及開采條件的差異，會導致動壓巷道出現較大的變形，但是由于工作面回采期間產生的超前支承壓力和側向支承壓力，以及采空區上覆巖層斷裂垮落等動壓影響，巷道圍巖條件、應力狀態變得越加復雜，從而導致巷道底鼓等圍巖大變形現象[1-5]。隨著開采深度的不斷增加，煤層所處的賦存環境也越加復雜。深部和淺部在賦存環境上的差別是所謂的“三高”即高地應力、高地溫和高孔隙水壓[6-8]。深部巷道常常出現地應力、靜水壓力和涌水量增大的現象，導致巷道圍巖力學環境日趨復雜[9-10]，特別是受到采空區上覆巖層回轉斷裂產生的強應力擾動，動壓巷道底鼓問題特別嚴重，我國動壓巷道普遍存在嚴重的底鼓現象，最大底鼓量達到300～1200 mm。深部高應力動壓巷道呈現出嚴重底鼓等圍巖大變形現象，不僅影響運輸，還導致巷道維護困難，返修率高，維護與返修費用成倍增加，現已嚴重影響到礦井的正常安全生產。

1 多次動壓下巷道圍巖應力及變形演化規律研究

冶坪煤礦一采區地質說明書及煤層揭露情況確定1308工作面走向長度，1308工作面回風順槽長度為3327 m（含1307回風順槽一段1055 m），運輸順槽長度為 3347 m（含 1307運輸順槽一段1075 m），平均可采走向長度2106 m，傾斜長180 m。

利用FLAC3D數值軟件，分析1308回風巷在整個使用期間，受到自身巷道掘進、相鄰 1308工作面回采和 8101工作面回采多種采動的影響，導致巷道圍巖應力變化特征，從而為將來巷道的掘進提供合理的支護形式與設計參數。

1.1 1308回風巷掘進期間巷道圍巖受力變形特征

如圖1所示，通過測點鉆孔觀測結果分析可以得到，頂板以上0～3.4 m為砂質泥巖，巖層呈灰黑色，泥砂質結構，其中0.5 m處有兩條明顯的橫向裂隙，0.5～3.4 m巖層較為完整。3.4～4.5 m為煤層，黑色，半暗半亮型煤，中間4.1 m處為泥巖夾矸，該段煤層中有少量裂隙。4.5～11.8 m為細砂巖，巖層呈深灰色、灰白色，堅硬致密，細砂粒狀結構，其中4.8 m處有明顯的橫向裂隙，4.9～7.9 m巖層比較完整，8.0 m處為煤線，9.5 m處有微裂隙，9.7～11.8 m巖層完整，11.6 m為夾層。11.8～13.5 m為中粒砂巖，呈灰白色，該段巖層較為完整。13.5～16.8 m為砂質泥巖，巖層呈灰黑色，泥質膠結，該段巖層比較完整，其中14.0～15.2 m為復合性巖層。16.8～19.2 m為細砂巖，巖層呈深灰色，鈣質膠結，該段巖層比較完整。

圖1 測點頂板巖層結構觀測結果

如圖2所示，煤柱上的垂直應力分布類似雙峰分布特征，整體來看垂直應力變化較小，說明1308回風巷在巷道掘進期間由于掘進期間巷道擾動較小，巷道圍巖應力場的變化影響較小。

圖2 1308回風巷掘進期間煤柱垂直應力分布狀態

1.2 臨近1308工作面回采階段巷道圍巖受力變形特征

圖3為臨近1308工作面回采之后，1308回風巷周邊巷道圍巖及煤柱內部應力分布情況。從圖3可以看出，當工作面回采后，煤柱內部、巷道圍巖及工作面附近煤巖體應力和應力狀態均發生很大的變化。當煤柱尺寸為25 m時，當工作面回采之后，煤柱上形成較大的垂直應力集中，對應 1308回風巷側垂直應力峰值達到21.33 MPa，說明由于此時煤柱尺寸較小，導致工作面回采后側向支撐壓力集中程度有所變化，不利于巷道后期穩定和維護。

圖3 工作面回采期間煤柱垂直應力分布狀態

如圖3所示，垂直應力的雙峰分布狀態發生改變，此時煤柱應力的峰值為43.9 MPa，而1308回風巷垂直應力的峰值為 23 MPa，相比，說明此時1308工作面回采對1308回風巷造成的動壓影響十分明顯。

圖4為在1308工作面回采后，1308回風巷受1308工作面回采動壓影響后巷道垂直方向巷道變形分布情況。當臨近的 1308工作面回采后，1308回風巷在工作面回采動壓影響下，巷道頂板相對比較掘進階段產生較大的變形，此時巷道頂板最大變形量從掘進期間的59.6 mm增大至166.9 mm，變形量較回采之前增大了約2.8倍。

圖4 1308回風巷巷道變形分布情況

將以上計算結果進行綜合分析，形成不同開采條件下 1308回風巷圍巖垂直應力和頂板下沉量對比示意圖，如圖5和圖6所示。

圖5 不同開采階段1308回風巷圍巖峰值垂直應力對比

圖6 不同開采階段1308回風巷頂板下沉量對比

通過圖5和圖6可以看出，1308回風巷在臨近工作面回采之后巷道周邊垂直應力相比較掘進期間增加170.1%，此時巷道頂板最大下沉量大幅度增加，在原有掘進期間約增加194.5%，說明此時臨近的 1308工作面回采造成動壓影響十分明顯，造成1308回風巷巷道嚴重變形。

對比之下 1308回風巷掘進之后巷道周邊垂直應力相比較掘進期間增加5.6%，此時巷道頂板最大下沉量略有增加，在原有掘進期間增加約5.3%，說明此時臨近的1308工作面回采造成影響較小，1308回風巷巷道變形不大。因此巷道支護設計需要考慮上述不同的巷道應力環境，需要針對 1308回風巷位于1308工作面回采的動壓影響地段（0～1900 m）范圍內，以及1308回風巷不受1308工作面回采影響（1900～2500 m）范圍內兩種情況進行差異化的支護設計，滿足巷道支護需要。

2 優化支護

2.1 支護方式

本章在對冶坪礦巷道地質力學特性、巷道在服務期間全過程的變形破壞規律、不同支護強度巷道變形規律等研究基礎上，采用短錨桿和長錨索協同支護技術對 1308回風巷道 0～1900 m 動壓段和1900～2500 m非動壓段進行分段支護，包括支護原則、依據、材料、機具等。

2.2 不同錨索長度支護效果對比

圖7是錨索預應力為200 kN下，不同錨索長度的預應力場分布情況。從圖7可看出：

圖7 相同預應力條件下不同錨索長度的應力分布

（1）隨著錨索長度增加，預應力場的高度逐漸增加；

（2）隨著錨索長度增加，錨索長度中部及以上部分的壓應力逐步減小；

（3）隨著錨索長度增加，兩錨索之間中部圍巖的壓應力逐步減小。

因此，可得出以下結論：當預應力一定時，短錨索的主動支護作用優于長錨索；通過提高錨索的預應力，可適當縮短錨索長度。針對冶坪礦 1308回風巷地質生產條件，基于高預應力一次支護理論，采用高預應力錨桿與短錨索協同支護技術對1308回風巷道0～1900 m動壓段和1900～2500 m非動壓段進行分段支護，對于特殊地質構造段、富水段巷道應加強支護。

2.3 切頂卸壓技術原理與應用結果

聚能爆破切頂卸壓技術是解決傳統沿空掘巷開采方式引起的圍巖大變形問題的重要手段之一[11]，該技術原理是沿巷道走向實施超前工作面的預裂爆破，爆破后各炮孔之間形成一條連續的結構面切斷了巷道頂板與采空區頂板之間的應力傳遞路徑，減少了相鄰工作面回采過程中上覆巖層運動對巷道圍巖應力的擾動，從而減少巷道圍巖變形。工作面回采后采空區頂板在上覆巖層重力和礦山壓力作用下發生垮落，減小了懸臂梁的長度，使得頂板作用在煤壁上的壓力減少，緩解了煤柱的應力集中，實現了卸壓效果并減少了煤爆現象?？迓浜蟮乃槊涰肥瘜敯迤鸬胶芎玫闹巫饔?，減少了基本頂對巷道頂板的壓力，避免了巷道頂板隨基本頂的回轉變形而發生明顯變形位移，同時減少了從巷道頂板傳遞到底板的壓力。

通過十字布點方法監測巷道圍巖變形數據，對比分析未實施聚能爆破切頂卸壓技術和實施切頂卸壓技術后對巷道圍巖變形控制效果。監測內容主要包括頂板下沉量、底鼓量和兩幫移進量。未切頂時的圍巖變形監測數據如圖8所示。從圖中可知巷道圍巖在超前工作面100 m處開始產生變形，在滯后工作面0～200 m范圍內圍巖產生劇烈變形，滯后工作面200 m后變形趨于緩和，最終在滯后工作面450 m處不再發生明顯變化，圍巖最終保持穩定。通過圍巖監測數據可知巷道兩幫最大位移量為 630 mm，底鼓量為415 mm，頂板下沉量為247 mm。

圖8 未切頂巷道圍巖變形情況

實施聚能爆破后的巷道圍巖變形情況如圖9所示。從圖9可知，巷道圍巖在超前工作面50 m處開始產生變形，在滯后工作面0～100 m范圍內圍巖產生劇烈變形，滯后工作面100 m后巷道圍巖變形趨于緩和。其中巷道兩幫最大位移量為435 mm，最大底鼓量為268 mm，頂板最大下沉量為175 mm。通過對比未切頂時的圍巖變形量可知切頂之后巷道圍巖變形得到了有效控制，其中兩幫最大移進量減小了195 mm，最大底鼓量減小了147 mm，頂板下沉量減小了72 mm。

圖9 爆破切頂段圍巖變形情況

3 結論

高預應力錨桿與短錨索協同支護技術能顯著控制巷道淺部圍巖早期的、結構面滑移和離層等變形，與強力的短錨索深部支護協同作用，強化淺部圍巖支護結構，構成高強深淺圍巖承載體。

（1）當臨近的1308工作面回采后，1308回風巷在工作面的回采動壓影響作用下，煤柱應力的峰值為43.9 MPa，而1308回風巷垂直應力的峰值為23 MPa，巷道頂板最大變形量從掘進期間的 59.6 mm增大至166.9 mm，變形量較回采之前增大了約2.8倍，在此條件下巷道受工作面回采的動壓影響較明顯，不利于巷道后期穩定和維護。

（2）數值計算結果表明，巷道支護設計需要考慮上述不同的巷道應力環境，針對 1308回風巷位于1308工作面回采的動壓影響地段（0～1900 m）范圍內，以及1308回風巷不受1308工作面回采影響（1900～2500 m）范圍內兩種情況進行差異化的支護設計，滿足巷道支護需要。

（3）分析現場監測數據結果證明，對頂板進行預裂爆破切頂后，工作面周期來壓趨于平穩，來壓值減小，來壓步距增大將近一倍；巷道底鼓等圍巖變形得到有效控制，現場應用效果良好。