高地應力及動壓影響下回采巷道支護方案優化

翟靈俊

（山西汾西礦業集團水峪煤業，山西 介休 032303）

0 引言

近年來，隨著煤炭資源的不斷開采，各大礦區開始逐漸面臨一些深部煤層采掘工作，深部采掘工作在地應力、動壓影響、地質構造等因素的影響下，圍巖節理裂隙發育、松散破碎、變形強烈、破壞范圍大，巷道冒頂、片幫及底鼓頻發，巷道在使用過程中往往需要反復修復，造成較大的巷道維護成本，安全也得不到保障。以雙柳煤礦3316（全文簡稱3316）專用瓦斯抽采巷的支護工作為研究對象，結合傳統的支護理論與方法，采用實驗室試驗、現場測試、理論分析等方法對大埋深高應力區域巷道圍巖的變形破壞規律、支護機理及支護技術展開研究[1-4]，結合具體的工程條件進行相關理論和技術的研究創新，從而推動行業技術發展。

1 工程概況

雙柳煤礦是汾西礦業集團的主力礦井，現主采煤層為山西組下段頂部3 號煤層，該區煤層穩定，結構較復雜，煤層厚度平均3.75 m。3316 工作面地表標高650～950 m，煤層賦存深度為520～570 m。工作面整體為單斜構造，煤層傾角2°～9°，平均6°，且根據巷道揭露資料以及回采工作面綜合分析，此區域內煤層節理、裂隙發育，對工作面回采有一定的影響。3316 工作面圍巖以泥巖、中砂巖、細砂巖為主，具體如表1 所示。

表1 3 號煤層頂底板巖性表

在工作面巷道布置方面，直接為工作面服務的回采巷道有3 條，3316 進風巷（上一個綜采面的抽采巷），3316 運輸巷，3316 抽采巷（作為下個工作面的進風巷），巷道布置情況如圖1 所示，西側為3316 運巷和3316 專用瓦斯抽采巷，東側為3316 材巷，其中，3316 專用瓦斯抽采巷與3316 運巷之間留設煤柱寬度為20 m。由于巷道埋深大、巷道條件差，并受較高構造應力及多次采掘擾動的影響，使得巷道在掘進期間發生頂板過度下沉、兩幫移近、底鼓、支護失效等破壞現象。

圖1 3316 工作面巷道布置示意圖

2 3316 抽采巷原支護方案及缺陷分析

根據工作面開采經驗及礦壓觀測，查閱相關文獻[5-8]，分析3316 抽采巷原支護方案及巷道變形破壞特征分析如下：

2.1 3316 抽采巷原支護方案分析

3316 抽采巷層位是沿煤層頂板布置，采用矩形斷面，斷面規格為4 600 mm×3 200 mm，原支護設計采用錨網索聯合支護方案，如圖2 所示。其中，頂部錨桿采用無縱肋螺紋鋼錨桿，規格為Φ20 mm×2 400 mm，使用K2355 和Z2355 錨固劑加長錨固，間排距為1 000 mm×1 000 mm；幫部錨桿采用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，規格為Φ20 mm×2 400 mm，使用1 支K2355錨固劑端頭錨固，間排距為900 mm×1 000 mm；頂部錨索采用高強度低松弛預應力鋼絞線，規格為Φ17.8 mm×6 400 mm，采用“一二”間隔布置，第一排錨索沿中線布置，第二排錨索沿中線對稱布置，間距2 200 mm，排距1 000 mm。總體來說，該支護方案是一種較為常規的支護方案，符合設計規范，但面對該工作面高地應力及動壓頻繁的條件，針對性略顯不足。

圖2 3316 抽采巷原支護方案示意圖（單位：mm）

2.2 3316 抽采巷圍巖變形破壞特征

1）根據現場礦壓觀測發現，3316 抽采巷掘進及支護的礦壓顯現呈現明顯的高地應力特征，經過測算，本工作面最大垂直應力集中系數超過2.2，最大水平應力集中系數超過1.5，應力集中程度大，礦壓顯現較為強烈。

2）3316 抽采巷為本工作面服務后，后期還要作為下個工作面的進風巷繼續使用，承受多次應力擾動及動壓影響，在3316 工作面回采期間，巷道頂板下沉量速度快、積累量大，幫煤破碎程度較高，局部片幫及底鼓嚴重。

3）礦壓顯現嚴重的區段，巷道斷面收縮極為嚴重，頂板出現嚴重的“網兜”現象，金屬網撕裂，多處錨桿和錨索發生脫錨甚至斷裂，出現不同程度的漏頂、冒頂事故，多處底板鼓起量接近甚至大于1 000 mm，巷道嚴重失修，安全隱患極大。

4）根據礦壓實測結果及以上分析，判斷出由于地應力過高及動壓影響，巷道圍巖破碎度高，穩定性差，原支護方案強度及整體性不足，尤其是錨桿或錨索發生拉斷、破斷現象，表明在巷道支護方案方面還需進行針對性優化。

3 巷道支護方案優化設計及應用

3.1 巷道支護方案優化設計

根據以上礦壓實測及理論分析結果，并充分借鑒高校學者針對3316 抽采巷圍巖變形特征，利用數值模擬工具給出的支護方案建議，確定優化后的巷道支護方案，如圖3 所示。

圖3 3316 抽采巷優化支護方案示意圖（單位：mm）

巷道頂部和幫部統一采用高強螺紋鋼錨桿，規格為Φ20mm×2400mm，托盤規格為150mm×150mm×10 mm，使用兩支錨固劑進行端錨，型號為K2360 及Z2360，頂錨桿間排距為1 000 mm×1 000 mm，幫錨桿間排距為900 mm×1 000 mm；重點優化了錨索支護，頂板錨索由原來的“一二”布置補強為“三二”布置，即第一排使用3 根錨索，沿中線1 根，中線左右1 600 mm處各1 根，第二排距中線1 100 mm 對稱布置2 根，排距保持為1 000 mm，錨索規格為Φ21.6 mm×6 400 mm，錨索托盤規格為300 mm×300 mm×16 mm；兩幫在距離頂板1 600 mm 處各補打一根錨索，排距1 000 mm，錨索規格為Φ17.8 mm×6 400 mm。

3.2 工程實踐及礦壓觀測

按照以上支護方案，對巷道失修段進行修復，并在3316 抽采巷內布置測站對優化方案的支護效果進行監測，測站布置情況如圖1 所示。隨著采煤工作面向前推進，當測點進入距離工作面50 m 處時，巷道開始逐漸承受超前支承應力影響，難以保持原來的穩定狀態，至工作面推過測點20 m 以內時，頂底板位移量及兩幫位移量逐漸發展，圍巖變形量控制在20 mm 以內；當工作面推過20～80 m 范圍內，3316 抽采巷圍巖變形量進入快速發展期，頂底板移近量發展到約75 mm，兩幫移近量發展到約35 mm；當工作面推過80 m 至更遠的距離后，巷道變形量積累速度趨于平緩，本工作回采帶來的應力擾動結束，頂底板移近量發展到約80 mm，兩幫移近量發展到約40 mm，如圖4所示。相比原支護方案，優化支護后，巷道斷面收縮率平均降低了近80%，可見優化后的支護方案對圍巖變形起到了很好的控制作用。

圖4 隨工作面推進巷道圍巖變形量發展示意圖

4 結論

1）3316 抽采巷呈現明顯的高地應力特征，最大垂直應力集中系數超過2.2，最大水平應力集中系數超過1.5，應力集中程度大；且3316 抽采巷受本巷道掘進、3316 工作面回采及下個工作面回采影響，承受多次應力擾動，礦壓顯現較為強烈。

2）巷道原支護方案針對性不足，是一種較為常規的支護方案，雖然符合設計規范，但沒有充分考慮3316 抽采巷所面臨的高地應力及多次動壓影響難題，導致巷道斷面收縮嚴重，多處錨桿和錨索發生脫錨甚至斷裂，出現不同程度的漏頂、冒頂事故，造成巷道嚴重失修，安全隱患極大。

3）綜合運用礦壓實測、理論分析及數值模擬結果，對巷道支護方案進行優化，并成功進行了工程實踐。礦壓觀測結果表明，本工作面回采結束后，頂底板移近量控制在約80 mm，兩幫移近量控制在約40 mm，且相比原支護方案，3316 專用瓦斯抽采巷的斷面收縮率平均降低了近80%，支護方案的有效性得到了驗證。