松软煤层动压巷道变形破坏特征及加固技术研究

李树刚,成小雨，刘 超，张天军，邢立杰，王 辉

(1.西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西 西安 710054；2.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；3.西安科技大学 理学院，陕西 西安 710054)

松软煤层动压巷道变形破坏特征及加固技术研究

李树刚1，2,成小雨2，刘 超1，2，张天军3，邢立杰2，王 辉2

(1.西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西 西安 710054；2.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；3.西安科技大学 理学院，陕西 西安 710054)

余吾煤业S2206工作面进风巷处于松软煤层中，受工作面采动影响围岩变形破坏较严重。通过分析原有支护条件下巷道的变形破坏特征，结合现场实际提出了锚喷注联合支护加固方案，并进行全方位矿压监测。监测结果表明：采用加固后巷道围岩变形得到有效控制，塑性区显著减小，锚索受力处于较佳状态，充分发挥了支护体的承载能力，能够保证巷道的长期稳定。

松软煤层；动压巷道；破坏特征；锚喷注；矿压监测

随着矿井开采深度的不断增大，开掘巷道所处的地质条件也在不断变化，围岩所受压力逐渐增大，矿压显现频繁而剧烈，巷道围岩往往表现出大变形和难支护的特征，给巷道的掘进和日常维护工作带来了很大的挑战。本文对余吾煤业S2206进风巷原有支护设计围岩变形破坏特征进行分析，提出相应的支护加固方案，并运用多种矿压监测手段和方法，评价方案实施后巷道围岩的稳定性，考察支护效果，以期为巷道的信息化施工和设计方案的优化提供参考依据，保证巷道的长期稳定。

1 工程概况

余吾煤业3号煤层厚度在5.35～6.12m之间，煤层倾角-3～10°，密度1.39t/m3。S2206工作面采用两进两回的通风方式，S2206进风巷位于S2206胶带巷与S2207回风巷之间，间距分别为35m和30m，沿3号煤层顶板掘进，为矩形断面，规格为3.8m×3.2m，巷道最大埋深560m左右。S2206进风巷受临近巷道掘进活动及工作面回采的影响，应力场和破裂损伤区相互叠加，巷道易产生大变形甚至失稳破坏，对巷道的安全和正常使用影响较为严重。

根据余吾矿区以往地应力实测资料可知，矿区地应力以垂直应力为主，垂直应力约为14.5MPa，最大水平主应力平均为垂直主应力的0.71倍，最小水平主应力平均为垂直主应力的0.36倍。相对较高的地应力与围岩低强度之间的矛盾突出，是造成该巷道大变形失稳的主要原因。

2 原有支护设计分析

S2206进风巷原有支护设计采用锚(网)索支护，两帮为4根φ22mm×2400mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，顶部为5根φ22mm×2400mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，锚杆排距900mm，顶锚杆间距800mm，帮锚杆间距900mm；顶部每排布置2根锚索，锚索规格φ18.9mm×8300mm，排距900mm，间距1600mm。

由于受到S2206工作面回采的影响，S2206进风巷正处于回采应力集中带，围岩变形破坏严重。巷道两帮煤体松散破碎，仅用4根单体锚杆作为支护，起不到整体的支护效用而产生较大收敛，最大变形量达982mm；顶板因支护强度不足，出现了一定的离层下沉现象，下沉量在160mm左右；巷道帮部的整体性和稳定性对底板的控制非常重要，由于受到巷道两帮收敛剪切作用，且目前巷道已有的支护设计没有考虑对底板的控制，导致底板鼓起量较大，严重地段达800mm。在采动压力影响下，围岩变形量将继续增加，塑性区范围将不断扩大，将会严重影响巷道正常使用和矿井安全生产，因此急需对巷道采取相应的修复加固措施。

3 修复加固方案

依据S2206进风巷已有支护条件下围岩的变形破坏特征，结合现场实际情况，提出了如下支护加固方案。

3.1 顶板加固

将目前顶板“2-2-2”的锚索支护形式加强为“3-3-3”的支护形式，即沿巷道走向靠近顶板中线补充施工锚索梁，施工位置错开原有支护，如图1所示。锚索规格为φ22mm×8300mm，锚索间距900mm，配合20号槽钢并压托盘施工；20号槽钢长度为2400mm，布置3孔，孔中心距900mm，垂直顶板钻孔。

图1 顶板加固

3.2 两帮加固

(1)在帮部距底板500mm处，采用走向锚杆压梯子梁支护，如图2所示。锚杆规格为φ22mm×2400mm，倾角向下30°，锚杆排距900mm。

(2)帮部加强支护采用走向锚索梁，每4排布置2套锚索梁，分别距顶板600mm和1600mm，倾角分别为向上30°和向下15°，如图2所示。钢绞线规格为φ22mm×5300mm，2400mm轻型20号槽钢眼孔间距为1800mm。

图2 两帮加固

3.3底板加固

在底板两底角距两帮300mm各施工1排斜向下60°的锚杆，锚杆规格为φ22mm×2400mm，锚杆排距900mm。

3.4全断面喷注浆加固

首先进行初喷密封，喷层厚度为50～100mm。注浆孔分别布置在顶板、两帮中部及底角两侧，如图3所示。注浆孔深3000mm，排距为2700mm。采用低压注浆，压力为1.0～1.5MPa，注浆材料为硫铝酸盐快硬水泥。

图3 注浆孔布置

4 稳定性监控及支护效果分析

为了检验支护加固方案的现场应用效果，在S2206进风巷进行方案的试验和巷道围岩稳定性监控。

4.1 监测结果及分析

选取试验段内和试验段外的典型监测断面，对监测数据进行处理和对比分析，考察支护加固方案的实施效果。

4.1.1 围岩表面位移

图4监测曲线表明，各断面围岩变形量最终控制在较低水平，水平收敛、顶板下沉和底板鼓起3条曲线均趋于稳定，且3条曲线变化趋势基本一致：曲线在初期快速上升，这是由于巷道受到本工作面开采扰动应力场和原岩应力场的叠加作用，围岩变形量急剧增大，这一阶段内，监测断面距开采工作面较近，曲线存在一定的震荡，显示表面岩体变形的不稳定性。随着锚杆(索)支护发挥作用，后期变形速率逐渐减小，最终达到一个基本稳定的状态。从监测结果可以看出，巷道围岩表面位移呈现“两帮收敛>底鼓>顶板下沉”的分布规律，且两帮收敛量和底鼓量均远大于顶板下沉量，说明巷道帮部和底板的稳定性紧密相连，两者的变形具有一定的相关性。监测数据还表明，试验段内的围岩变形量明显小于试验段外，其中两帮和底板的变形数据尤其如此。说明巷道整体稳定性有明显提升，所采取的支护加固措施效果是显著的。

图4 围岩表面位移监测结果

4.1.2 围岩深部位移

从图5监测曲线可以看出，围岩深部各点位移的发展过程分为明显的3个阶段。第1阶段为快速增长期，这一阶段位移发展速率较快；第2阶段为震荡调整期，随着工作面继续推进，初期锚杆和锚索支护发挥作用，变形受开挖影响逐渐减小；第3阶段为变形稳定阶段，这一阶段存在蠕变变形，但位移量不大，变形很快稳定下来。

图5 围岩深部位移监测结果

围岩深部位移场分布与表面位移有一定联系，深部围岩位移可以视为表面位移的内延，总体上是表面位移愈大，深部一定范围内各点的位移量也愈大，但不同深度处增大的速度不同，位移速度场沿深度方向呈不均匀分布，表现为各测点的变形速率随着距巷道表面距离的增大而显著减小的梯度，而这种不均匀性，各测试钻孔又有所不同，有的内外位移存在较大位移差，有的则接近等速外移。

由监测数据可以看出，巷道左帮围岩内部各点的累计绝对位移量均大于巷道右帮，这是因为左帮较右帮更靠近开采工作面，受工作面采动应力的影响较大，深部围岩活动较为剧烈，位移也就较大。对比试验段内外的监测曲线可以得出，试验段内顶板和两帮的各点累计绝对位移量均小于试验段外，这说明采取支护加固措施后，深部围岩的整体性有较大提升，巷道稳定性得到较大改善。

4.1.3 锚索受力

从图6监测曲线可知，锚索受力总体变化可分3个阶段：第1阶段为快速增长期，锚索安装后短时间内即与围岩产生相互作用，锚索本身在岩体形变作用下轴向力迅速增大，限制了围岩沿巷道自由面上的法向变形；第2阶段为波动变化期，锚索受力变化比较频繁，出现上述特征波动的原因主要是岩体及锚索的内部应力调整，产生压缩、回弹的反复过程；第3阶段为平稳变化期，应力值稳定时间与围岩变形稳定时间接近。此阶段锚索最大受力均达到峰值应力但尚未达到锚索的屈服极限，表明锚索有一定的安全储备，巷道的支护是安全可靠的。

图6 锚索受力监测结果

由监测数据还可以看出，试验段外各锚索的受力初值普遍大于试验段内，这是由于其更靠近开采工作面，最先受到开采应力的影响，锚索承载较高的开采动压而使得受力迅速增大。并且3根监测锚索受力大小的排序均为：顶板锚索>左帮锚索>右帮锚索，这主要是因为该试验段的地应力呈现垂直应力大于水平应力的分布规律，并且更靠近工作面的左帮，承受了比右帮更高的开采动压。

4.1.4巷道不均匀变形

图7为试验段内、外巷道不均匀变形图。

图7 巷道不均匀变形监测结果

从图7试验段外监测断面的数据可以看出，原有支护对帮部和底板控制的考虑不够完善，两帮收敛量较大，两帮的失稳导致底鼓量增长较快，并且两帮和顶底围岩中部的变形量普遍大于其他部位，其中两帮围岩3组测点的变形大小排序为：中部测点>上部测点>下部测点，顶底围岩3组测点的变形大小排序为：中部测点>左部测点>右部测点，这是由于两帮下部受到底板的剪切约束和顶底板左部受到左帮更大的挤压力造成的。从试验段内的监测数据和曲线图中可以明显地看到，两帮和顶底板的收敛量明显减小，围岩变形得到了较好的控制，说明所采取的支护加固方案是可行且有效的。

5 结论

(1)依据S2206进风巷原有支护变形破坏情况的分析结果，结合现场实际条件，提出了走向高预应力锚索梁控顶、走向高预应力锚索梁稳帮、帮角走向锚梁配合底角锚杆护底、全断面喷注浆补强的联合支护加固方案，并进行了现场试验和巷道围岩稳定性监测。

(2)监测结果表明，加固方案实施后，巷道围岩变形量控制在较低水平，两帮收敛、顶板下沉和底鼓均趋于稳定，锚索处于较佳的受力状态，围岩稳定性得到了有效控制，支护效果显著。

(3)处于深部岩体中的巷道，围岩受力复杂，只有通过监控量测来掌握巷道的变形和受力状态，依据反馈的实测数据来指导支护参数和施工，采取及时有效的辅助措施，才能保证巷道的长期稳定。

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[责任编辑：林健]

DeformationandFailureCharacteristicofDynamic-pressureRoadwayinSoftCoalandReinforcementTechnology

LI Shu-gang1,2,CHENG Xiao-yu2,LIU Chao1,2,ZHANG Tian-jun3,XING Li-jie2,WANG Hui2

(1.Education Ministry Key Laboratory of West Mine Mining and Disaster Prevention,Xi’an 710054,China;2.Energy School,Xi’an Universityof Science & Technology,Xi’an 710054,China;3.Science School,Xi’an University of Science & Technology,Xi’an 710054,China)

Intake airway of S2206 mining face in Yuwu Coal Company was in soft coalseam.Influenced by mining,deformation and failure of surrounding rock was serious.By analyzing deformation and failure characteristic of former supporting project,a combined reinforcement project of anchored grouting and injecting was put forward and all-around underground pressure monitoring was made.Monitoring result showed that after applying reinforcement project,surrounding rock deformation was controlled effectively,plastic-zone reduced largely,anchored cable was in best stress state and fully produced bearing capacity of supporting body,which could keep long-term stability of roadway.

soft coalseam; dynamic-pressure roadway; failure characteristic; anchored grouting and injecting; underground pressure monitoring

2014-01-28

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.05.015

国家自然科学基金项目(51174157，51104118，51304154)；陕西省博士后基金资助项目(陕博管办[2013]10号-2-76)

李树刚(1963-)，男，甘肃会宁人，博士研究生，教授，博士生导师，现从事矿山安全科学与工程、采动矿山压力及控制，围岩活动与瓦斯运移、煤层自燃间关系及控制，非稳态渗流力学等领域的研究。

李树刚,成小雨，刘 超，等.松软煤层动压巷道变形破坏特征及加固技术研究[J].煤矿开采，2014，19(5)：51-54，32.

TD353

A

1006-6225(2014)05-0051-04