王莊煤礦構造應力擾動下大斷面巷道圍巖控制技術研究

杜曉剛

（山西潞安環保能源開發股份有限公司王莊煤礦，山西 長治 046000）

煤礦巷道支護的根本目的是確保巷道圍巖不發生過量位移，而構造應力的存在往往導致大斷面巷道圍巖完整性差，容易造成巷道冒頂及片幫等礦壓事故[1-3]。針對大斷面巷道，查明其構造應力擾動下的巷道變形特征，并合理制定圍巖控制方法尤為重要[4-5]。郝世維[6]設計了過斷層構造帶巷道支護方案與參數，實現了18502 工作面輔運巷圍巖變形可控；王鑫[7]分析大型陷落柱構造應力對巷道圍巖應力的影響，提出了幫錨索配合錨桿的聯合支護方法；楊靜[8]針對深部構造發育區回采巷道支護難度大的問題，提出了深部開采的圍巖控制的新思路和適用于大塑性區特征大變形的支護技術；李永剛[9]為解決斷層+背向斜構造條件下巷道變形難題，提出“W鋼帶、金屬網、錨索、錨桿”的聯合支護方式，巷道變形得到有效控制。以王莊煤礦3#煤層9105 工作面為工程背景，在分析構造應力擾動下大斷面巷道變形特征的基礎上，針對大斷面巷道提出切實可行的圍巖控制技術，以實現工作面安全高效回采。

1 工程概況

王莊煤礦主采3#煤層9105 工作面，煤層平均厚6.52 m，傾角為2°～12°，井田內不存在陷落柱及巖漿巖侵入情況，煤層瓦斯含量較低，屬于低瓦斯礦井。煤層頂底板情況見表1。9105 工作面煤層整體東北向西傾斜的單斜構造，工作面為南北布置，切眼長339 m，可采長度風巷與運巷分別為3432 m 和3432 m。

表1 煤層頂底板情況

王莊煤礦9105 工作面受到地質構造影響的巷道在不斷地增多，這類巷道因構造應力的作用和巖體力學特性差，運輸巷道出現嚴重變形、冒落、反復返修等一系列問題。目前，巷道斷面尺寸為寬×高=5.6 m×4.2 m，通過現場監測，巷道頂板下沉量為316 mm，底板底鼓量為148 mm，回采幫變形量為205 mm，煤柱幫變形量237 mm，對工作面安全回采構成嚴重威脅。為保證礦井的安全生產，為今后的巷道布置、支護設計等提供基礎參數，特開展構造巷道應力分布特征及圍巖控制技術研究，以解決地質構造巷道穩定性問題，保證巷道安全。

2 構造應力擾動下大斷面巷道變形特征分析

2.1 數值模型構建

王莊煤礦9105 工作面頂板屬于典型的膨脹性軟巖，巷道圍巖力學性質能極大地影響巷道穩定性，研究采用FLAC3D軟件分析大斷面巷道變形特征。構建數值模型長×寬×高=50 m×30 m×50 m，模型底部固定，兩側邊界進行位移約束，設置上覆巖層自重為7.5 MPa，共劃分為637 500 個單元。巖體力學參數見表2。

表2 巖體力學參數

2.2 巷道寬度影響分析

由于王莊煤礦9105 工作面運輸巷屬于大寬度條件巷道，為研究巷道寬度對圍巖變形的影響，首先固定巷道高度為4.5 m，對巷道寬度分別為4.0 m、4.5 m、5.0 m 和5.5 m 進行模擬分析，不同寬度條件下巷道圍巖變形情況如圖1 所示。隨著巷道寬度增加，巷道頂底板變形大于兩幫變形。當巷道寬度為4.0 m 時，頂底板移近量為275 mm，兩幫移近量為236 mm；當巷道寬度為4.5 m 時，頂底板移近量為315 mm，變形量增加14.5%，兩幫移近量為265 mm，變形量增加12.3%，巷道變形小幅度增加；當巷道寬度為5.0 m 時，頂底板移近量為388 mm，變形量增加23.1%，兩幫移近量為332 mm，變形量增加25.3%，巷道變形增加幅度較大；當巷道寬度為5.5 m 時，頂底板移近量為450 mm，變形量增加15.9%，兩幫移近量為435 mm，變形量增加31%，巷道變形幅度繼續增加。可以看出，當巷道寬度不大于4.5 m 時，巷道整體變形幅度較小，寬度超過4.5 m 后，巷道變形大幅度增加。

圖1 不同寬度下巷道圍巖變形情況

2.3 巷道高度影響分析

為了重點分析巷道高度對圍巖變形的影響，固定巷道寬度為4.5 m，對巷道高度分別為4.0 m、4.5 m、5.0 m 和5.5 m 進行模擬分析。不同高度條件下巷道圍巖變形情況如圖2 所示。隨著巷道高度的增加，與不同寬度條件巷道變形不同，當巷道高度大于寬度后，巷道變形表現為兩幫大于頂底板。巷道高度為4.0 m 時，頂底板移近量為285 mm，兩幫移近量為246 mm；當巷道高度為4.5 m 時，頂底板移近量為315 mm，變形量增加10.5%，兩幫移近量為265 mm，變形量增加7.7%，巷道變形幅度增加較小；當巷道高度為5.0 m 時，頂底板移近量為348 mm，變形量增加10.5%，兩幫移近量為362 mm，變形量增加36.6%，巷道變形幅度較大；當巷道高度為5.5 m 時，頂底板移近量為412 mm，變形量增加18.4%，兩幫移近量為445 mm，變形量增加22.9%，巷道變形幅度依然較大。可以看出，當巷道高度不大于4.5 m 時，巷道變形幅度較小，高度超過4.5 m 后，巷道變形大幅度增加。

圖2 不同高度下巷道圍巖變形情況

2.4 構造應力影響分析

王莊煤礦采區工作面回采過程中，對不同位置巷道地應力進行測量得到側壓系數變化范圍為0.95～2.55。隨著深度的增加，側壓力系數也逐漸增大，研究選擇側壓系數λ分別為1.0、1.5、2.0、2.5及3.0 進行數值模擬分析。隨著側壓系數變化巷道圍巖變形情況見圖3。可以看出，隨著與巷道距離的增加，巷道變形整體表現為快速增加-緩慢增加變形特征。與巷道距離在0～5 m 范圍內，變形增加劇烈，與巷道距離超過5 m 后，巷道變形增加緩慢。隨著側壓系數的增加，巷道頂底板及兩幫移近量均呈現增加趨勢，側壓系數越大，巷道變形增加越劇烈，同時巷道頂底板變形要大于兩幫變形。

圖3 不同側壓系數下巷道圍巖變形情況

綜合分析，王莊煤礦9105 工作面在現用巷道斷面尺寸條件下，由于寬度較大，受構造應力擾動影響，導致巷道頂板變形比兩幫嚴重，煤柱幫變形要大于回采幫。為保證巷道的穩定，以及隨著開采向深部發展為有效控制深部巷道穩定性，需結合構造應力擾動下大斷面巷道變形特征，提出有效的大斷面巷道圍巖控制技術。

3 大斷面巷道圍巖控制方法

現用大斷面巷道在構造應力擾動下主要表現為頂板下沉量大，兩幫變形嚴重，不利于大斷面巷道的穩定，需要對大斷面巷道實施有效的支護，提出對巷道頂板及兩幫加強支護的圍巖穩定性控制方法。

3.1 頂板支護

頂板采用“鋼筋網+螺紋鋼錨桿+預應力錨索”聯合支護，首先對巷道頂板鋪鋼筋網支護，鋪設時鋼筋網要與頂板接實，網下用木背板與前探梁背緊、背實；隨后打設Φ22 mm×2700 mm 螺紋鋼錨桿，間排距為0.75 m×0.75 m，巷道中部錨桿垂直頂板及兩幫布置，巷道邊側錨桿與巷道頂板及兩幫呈45°夾角，按從中間到兩邊逐根邁步式依次進行，打設頂部中間第一根頂錨桿時先將該處對應前探梁后縮至不影響該錨桿排距打設位置；最后打設Φ18.9 mm×8000 mm 低松弛預應力鋼絞線錨索，間排距為1.7 m×1.2 m，排與排之間采取“232”交錯布置方式，安裝好的錨索應戴帽并在錨索鎖具下用10 號鐵絲將錨索十字捆綁纏繞三圈使錨索及托板與頂部金屬網片捆綁連接固定到一起。

3.2 兩幫支護

兩幫采用“工字鋼棚+螺紋鋼錨桿+預應力錨索”聯合支護，兩幫施打錨桿孔時，煤柱幫與回采幫錨桿布置方式與頂錨桿一致。由于原巷道在布置過程中煤柱幫變形較大，為了進一步保證煤柱幫的穩定性，在煤柱幫每排補打兩根Φ18.9 mm×5000 mm 鋼絞線錨索，間排距為1.8 m×1.2 m。為進一步保證巷道的穩定，還需采用工字鋼棚支護，鋼棚采用11 號礦用工字鋼做成梯形棚，棚間距0.8 m，鋼梁長3500 mm，棚腿長2839 mm/根，扎腳為450 mm。鋼棚腿間采用4 根Φ18 mm 圓鋼拉桿連鎖，上下拉桿間距1 m，拉桿展開長度1.1 m/根，4根/棚，拉桿桿座焊接在棚腿上，桿座焊接位置位于棚腿墊板上1 m 和2 m 處各一個。大斷面巷道支護斷面見圖4。

圖4 大斷面巷道支護斷面圖（mm）

4 礦壓監測結果分析

4.1 巷道變形監測

研究提出的大斷面巷道圍巖控制技術在現場實施后，分別對巷道兩幫和頂底板移近量進行為期兩個月的監測，共布置兩個監測點，監測結果如圖5所示。巷道變形主要表現為快速發展-平穩波動兩個過程，在支護后50 d 以前，巷道變形發展較快，但是隨著時間的推移，超過50 d 以后，巷道變形量逐漸趨于穩定狀態。巷道變形穩定后，頂底板最大移近量為197 mm，兩幫移近量為245 mm。巷道加強支護前，頂底板最大移近量為464 mm，兩幫最大移近量為442 mm。與加強支護前相比，頂底板移近量降低57.5%，兩幫移近量降低44.5%，說明該支護方案對大斷面巷道圍巖變形實現了有效控制，可滿足工作面安全回采要求。

圖5 巷道變形監測數據

4.2 錨桿（索）受力監測

錨桿受力整體呈現先快速增長，后緩慢增長，最后趨于平緩特征。支護初期錨桿的軸向拉力增加比較快速，特別是支護后40 d 內增幅較大，但是隨著時間的推移錨桿的拉力逐漸趨于穩定狀態，其中錨桿的軸向拉力大小范圍在88～105 kN 之間，這說明錨桿充分發揮了支護協調作用，使圍巖形成了穩定的結構，有效限制了巷道圍巖變形的發展，保障了大斷面巷道的穩定。錨桿軸向拉力變化情況如圖6 所示。

圖6 錨桿軸向拉力曲線圖

錨索軸向拉力變化情況如圖7 所示。隨著支護時間的增加，錨索的受力曲線整體呈現先快速增長，后緩慢增長，最后趨于平緩特征。支護初期錨索的軸向拉力增加比較快速，特別是支護后50 d 內增幅較大，隨時間推移，50 d 后錨索軸向拉力趨于穩定，其中錨索的軸向最大拉力范圍260～350 kN 之間，這說明錨索充分發揮了懸吊的作用，抗拉強度得到了有效發揮，保證了巷道的穩定。

圖7 錨索拉力曲線圖

綜上分析，研究提出的針對構造應力擾動下大斷面巷道圍巖控制技術，巷道兩幫移近量可控制在245 mm，頂底板變形量可控制在197 mm，巷道整體變形較小，同時錨桿及錨索均能夠提供有效的支撐，構造巷道穩定性良好，實現了工作面安全高效回采。

5 結論

1）通過分析構造應力擾動下斷面巷道變形特征，當巷道寬度超過高度一定范圍時，表現為巷道頂底板變形大于兩幫變形程度，這是王莊煤礦工作面巷道頂底板移近量大于兩幫移近量的最主要影響因素。

2）相同側壓系數下，隨著與巷道距離的增加，巷道變形整體表現為快速增加-緩慢增加變形特征；隨著側壓系數的增加，巷道頂底板及兩幫移近量均呈現增加趨勢，側壓系數越大，巷道變形增加越劇烈。

3）針對構造應力擾動下的大斷面巷道，研究提出巷道采用“高強度螺紋鋼錨桿+預應力錨索+金屬網+工字鋼棚”聯合支護技術。通過現場實踐，巷道錨桿（索）受力狀態良好，頂底板移近量降低57.5%，兩幫移近量降低44.5%，實現了構造巷道的有效控制。