多次动压影响下小煤柱巷道围岩变形分析与控制

吴建星，吴拥政，王子越，方树林

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 北京开采研究院，北京 100013)



多次动压影响下小煤柱巷道围岩变形分析与控制

吴建星1,2，吴拥政1,2，王子越1,2，方树林1,2

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 北京开采研究院，北京 100013)

[摘要]为解决多次动压影响下小煤柱巷道支护的技术难题，针对漳村煤矿2205回风巷受多次动压影响、矿压显现明显的特点，分析了其变形破坏因素，模拟研究了2205回风巷掘进动压、2203工作面超前支承应力、2203采空区侧向支承应力及2205工作面超前支承应力对巷道的影响，提出了2205回风巷围岩控制方案。研究结果表明，采用全长预应力锚固强力锚杆锚索组合支护系统并加强巷帮支护后，能够很好地解决多次动压影响下小煤柱巷道支护难题。

[关键词]多次动压；高预应力；强力锚杆支护；全长预应力锚固

[引用格式]吴建星，吴拥政，王子越，等.多次动压影响下小煤柱巷道围岩变形分析与控制[J].煤矿开采，2015，20(6)：67-71，118.

巷道掘进与支护是煤矿开采的重要环节，巷道的稳定与安全与否直接影响着矿井的正常生产。随着支护技术的发展，锚杆支护已成为我国煤矿巷道主要支护方式，尤其高强锚杆的出现，基本解决了普通条件巷道支护[1-4]。但是，随着开采深度加大，地质条件会更加复杂和恶劣，动压已是影响巷道支护质量和效果的一个主要因素，采用何种支护方式才能确保巷道的安全使用以及后期工作面的安全回采，是困扰广大工程技术人员的一大技术难题[5-7]。尤其是当本工作面尚未回采结束时就开始掘进巷道，巷道既受自身掘进动压的影响，同时又受到相邻工作面回采超前支承应力以及采空区基本顶来压的影响，应力叠加，造成巷道围岩应力较高，煤岩体较为破碎，锚杆锚索受力较大，甚至发生破断，从而使支护失效，引发顶板事故，给矿井的安全生产带来极大隐患，因此亟需全面系统地对多次动压影响下小煤柱巷道围岩控制技术进行研究。

1工程概况

试验地点为漳村煤矿2205工作面回风巷，宽度为5.0m，高为3.5m，净断面为17.5m2，沿3号煤层中间掘进，留1.5m厚顶煤，巷道长度为1599m，3号煤体平均单轴抗压强度9.6MPa。

2205回风巷南与2203工作面相邻(掘进时2203工作面正在回采)，2205回风巷与2203运输巷之间净煤柱为8m；2205回风巷北与2205瓦斯巷相邻，二者之间的净煤柱为15m(已掘)。2205回风巷掘进方向与2203工作面回采方向相向，2205回风巷不仅将受到自身掘进动压影响，同时还将受到2203工作面回采超前支承压力、不稳定采空区侧向支承压力及2205工作面回采超前支承压力的影响，预计巷道围岩应力大，矿压显现剧烈。2205回风巷平面布置如图1所示。

根据钻孔柱状(图2)显示，2205回风巷直接顶及基本顶分别为2.58m和2.8m厚的泥岩，之上为5.75m厚的中粒砂岩，顶板围岩呈厚层状，完整性一般。

图2　巷道顶板围岩柱状

根据地应力测试结果，2205回风巷最大水平主应力5.77MPa，垂直主应力8.78MPa，最大水平主应力方向为NW60.9°。垂直主应力大于最大水平主应力，属于自重应力场。

2多次动压影响下小煤柱巷道稳定性数值分析

为了详细分析多次采动影响下小煤柱巷道稳定性，根据漳村煤矿2205回风巷的地质资料与生产条件，采用有限差分软件FLAC3D分别对2205回风巷在掘进期间和2203，2205工作面回采期间巷道变形、应力及塑性区分布情况进行模拟。本构模型采用摩尔-库伦模型，底面固支，前后左右四面铰支，模型长宽高分别为363m×200m×25m，共计132500个单元(图3)。

图3　2205回风巷数值模型

2.1巷道变形

图4～图6为2205回风巷在不同状态时巷道变形情况。

图4　2205回风巷垂直位移分布云图演化

从图中可以看出，随着受到扰动次数及强度的增大，巷道变形量逐渐增大。当仅受自身掘进动压影响时，巷道顶底板移近量及两帮移近均比较小，受到相邻工作面超前支承压力及不稳定采空区侧向支承压力、本工作面超前支承压力影响后，巷道变形急剧增加，且以两帮移近为主，两帮最大移近量达到1400mm。

图5　2205回风巷水平位移分布云图演化

图6　不同状态时2205回风巷变形情况

2.2围岩应力

图7,图8为2205回风巷围岩垂直应力和水平应力演化情况。从中可以看出，随着巷道受到扰动次数及强度的加大，巷道围岩应力增大。受到相邻工作面超前支承压力及不稳定采空区侧向支承压力、本工作面超前支承压力影响后，巷道围岩应力急剧增加，水平应力最大为27MPa，垂直应力最大为17MPa，均为原岩应力的2~3倍，且水平应力大于垂直应力，说明巷道主要受到侧向压力。

图7　2205回风巷围岩垂直应力演化

2.3围岩塑性区

图8　2205回风巷围岩水平应力演化

图9为2205回风巷巷道塑性区演化情况。随着巷道受到扰动次数及动压强度的加大，2205回风巷围岩塑性区破坏范围不断扩大。本巷道掘进时，受自身开挖动压影响，2205回风巷围岩一定范围内产生塑性破坏，其中两帮破坏深度大于顶底板；相邻2203工作面回采时，随着二者相对位置的变化，2205回风巷依次受到2203回采工作面的超前采动压力、采空区顶板周期来压及侧向支承压力影响，右侧(靠近2203工作面一侧)围岩塑性区破坏深度不断加深，先是右帮煤体产生塑性区，然后向右侧顶板深部蔓延，但是左侧(靠近2205工作面一侧)塑性区范围没有发生明显扩大，2203工作面推进80m后，小煤柱依然保持稳定，说明其处于应力降低区；本工作面(2205)回采时，2205回风巷同时受到2203采空区残余侧向支承压力和2205工作面采动压力影响，左侧围岩塑性范围开始扩大，顶板的破坏程度甚于两帮，煤柱局部产生剪胀现象。

图9　2205回风巷围岩塑性区演化情况

综上所述，可以归纳以下几点：

(1) 2205工作面留设8m保护小煤柱，煤柱长期保持稳定，能够满足相邻工作面和本工作面回采期间的巷道维护要求。

(2)随着掘进头和工作面相对位置的变化，2205回风巷依次受到自身掘进动压、2203工作面超前采动压力、采空区顶板周期来压、侧向支承压力及2205工作面采动压力的影响，多种动压叠加，巷道应力水平集中、扰动程度强烈，需要采取强度及刚度较高的强力支护方式。

(3) 2205回风巷受动压影响期间，煤帮是整个围岩结构中的薄弱部位，多次动压扰动，导致煤体破碎，塑性区深度发展，因此属于支护的关键部位，需要采取锚索对深部进行加固。

3多次动压影响下小煤柱巷道围岩控制对策

基于数值分析结果，依据强力一次支护理论[8-9]，采用数值模拟及工程实践相结合的手段，确定2205回风巷采用全长预应力锚固强力锚杆锚索组合支护系统进行支护，对煤帮薄弱部位采取锚索进行加固。具体支护参数如下:

锚杆材质为超高强热处理锚杆CRM500号钢，直径22mm，长度2400mm，延伸率不低于20%，冲击吸收功不低于80J。锚杆采用W钢护板与钢筋托梁组合构件护顶，采用W钢护板进行护帮。锚杆预紧力为400N·m，顶板及两帮间距分别为1100mm和900mm。锚固方式：锚杆采用1支MSK2630及3支MSM2650的树脂锚固剂实现全长预应力锚固。

采用锚索对顶板及两帮进行补强加固。锚索材料为：φ22mm，1×19股高强度低松弛预应力钢绞线，延伸率7%，顶帮锚索长度分别为5300mm和4300mm，采用1支MSK2330和2支MSZ2360树脂药卷锚固，锚固长度1900mm。顶板每排锚杆打设2根锚索，排距为900mm；每帮每2排锚杆打设3根帮锚索，排距为900mm，锚索预紧力为300kN。

图10为2205回风巷支护断面。

图10　2205回风巷支护断面

4效果评价与分析

为了对全长预应力锚固强力支护效果进行评价及分析，在2205回风巷安装了综合测站，测站位置位于2203工作面后方约50m，对掘进期间巷道表面位移及锚杆、锚索受力进行监测。

4.1巷道位移监测

图11为2205回风巷掘进期间表面位移监测曲线，从中看出：随着距掘进工作面距离的增加，巷道两帮位移量和顶板下沉量逐渐增大，采空区侧帮最大移近量为48mm，工作面帮最大移近量为39mm，两帮最大移近量为87mm，顶板最大下沉量为28mm，说明掘进期间巷道变形较小，支护有效。此外，回采期间发现2205工作面超前支承压力段巷道两帮最大位移量约800mm，仅约为一般支护条件下巷道变形量的40%，说明巷帮采用强力锚索加固效果明显。

图11　2205回风巷掘进期间表面位移监测曲线

图12　2205回风巷掘进期间锚杆受力监测曲线

4.2锚杆受力监测

2205回风巷掘进期间锚杆受力监测曲线如图12所示，在巷道同一断面内共安装了9个锚杆测力计，其中两帮(中部2根)各2个，顶板为5个，自采空区侧帮下部锚杆依次编号为1号~9号。从监测结果可以看出，初始施加预紧力后，多数锚杆受力为40~80kN(仅2号锚杆为30kN)，此后，锚杆受力变化不大，受掘进扰动影响不大，最大受力为127kN，说明锚杆初始预紧力施加合理，能够保证巷道围岩不产生离层及破坏。巷道回采期间，由于锚杆测力计受损，仅对个别测力计进行监测，发现锚杆受力最大达到220kN，但仍处于安全强度范围内。

4.3锚索受力监测

2205回风巷掘进期间锚索受力监测曲线如图13所示，为了方便分析，对锚索测力计进行了编号，自采空区侧帮下角锚索起逆时针依次编号为1号、2号、3号、4号、5号、6号。通过监测可以发现：首先，锚索预紧后，初始受力基本均在200kN左右，此后2号、3号、4号、5号锚索受力变化不大，基本稳定在200kN附近，说明初始预紧力施加合理，能够有效控制顶板深部离层的发生；并且，1号、6号锚索受力变化受扰动变化较大，分别在距掘进头距离30m及50m后趋于稳定，最大受力为530kN，说明小煤柱动压巷道极易发生底鼓现象，帮下角锚索能够有效抑制巷道底鼓的发生。

图13　2205回风巷掘进期间锚索受力监测曲线

总体来看，2205回风巷采用全长预应力锚固强力锚杆锚索支护后，巷道变形量较小，锚杆锚索受力稳定，支护效果良好。

5主要结论

(1)漳村煤矿2205回风巷，由于煤柱尺寸小，且受到多次动压扰动，应力重新分布叠加，造成巷道围岩应力增大，巷道变形量增大，塑性区范围扩大，属于典型的多次动压影响下小煤柱回采巷道，支护难度较大。

(2)采用数值模拟手段，分析了漳村2205回风巷受到本巷道掘进、相邻工作面超前支承压力、不稳定采空区侧向支承压力及本工作面回采超前支承压力时，巷道变形、围岩应力及塑性区演化规律，并基于数值研究结果，提出相应的围岩控制对策。

(3)采用全长预应力锚固强力锚杆锚索组合支护系统并加强巷帮支护后，能够很好地解决多次

动压影响下小煤柱巷道支护难题，矿压监测结果表明，此支护方式显著提高了围岩完整性及稳定性，支护效果良好。

[参考文献]

[1]康红普， 王金华.煤巷锚杆支护理论与成套技术 [M].北京: 煤炭工业出版社，2007.

[2]吴拥政.强动压下回采巷道高预紧力强力锚杆支护技术研究[J].煤炭科学技术,2010，38(3): 12-15.

[3]林健，赵英利，吴拥政，等.松软破碎小煤体小煤柱护巷高预紧力强力锚杆锚索支护研究与应用[J].煤矿开采，2007，12(3)：47-50.

[4]康红普.煤巷锚杆支护成套技术研究与实践[J].岩石力学与工程学报，2005，24 ( 21) : 3959-3964.

[5]康红普，林健，吴拥政.全断面高预应力强力锚索支护技术及其在动压巷道中的应用[J].煤炭学报，2009，34(9)：1153-1159.

[6]张永涛，张红卫，卓青松，等.大佛寺矿强动压回采巷道修复及支护技术[J].煤矿安全，2014(10)：71-73.

[7]何杰.冲击地压矿井厚煤层沿空掘巷支护关键技术研究[J].煤炭工程，2014，12(46)：38-41.

[8]吴建星.锚杆托板的力学性能研究[D].北京：煤炭科学研究总院，2009.

[9]吴拥政.锚杆杆体的受力状态及支护作用研究[D].北京：煤炭科学研究总院，2009.

[10]康红普，吴建星.锚杆托板的力学性能与支护效果分析[J].煤炭学报，2012，37(1)：8-16.

[责任编辑：鞠文君]

Analysis and Control of Surrounding Rock Deformation of Multiple Dynamic

Pressurized Roadway with Small Coal Pillar along Gob

WU Jian-xing1,2，WU Yong-zheng1,2，WANG Zi-yue1,2，FANG Shu-lin1,2

(1.Mining & Designing Department，Tiandi Sciences & Technol CO.,Ltd.，Beijing 100013，China；

2.Beijing Mining Research Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China)

Abstract：It’s extremely important and difficult to solve the supporting problem of multiple dynamic pressurized roadway with small coal pillar along gob.2205 return airway in Zhangcun Coal Mine is proven to be included in this class of roadway which has been influenced by multiple dynamic pressure and shown obvious strata behaviors.Base on the characteristics of strata pressure，authors analyzed the factors of rock deformation and failure firstly，and then numerically simulated the effect of 2205 return airway driving pressure，the abutment pressure of 2203 working face，the lateral abutment pressure of 2203 gob and the abutment pressure of 2205 working face，finally proposed the rock control scheme of 2205 return airway.The results showed that the support system of full length pre-stressed anchorage，strength bolt & cable and reinforcement roadside by cable，can solve the technical problem of multiple dynamic pressurized roadway with small coal pillar.

Key words：multiple dynamic pressure，high pre-stress，intensive support，full length pre-stressed anchorage

[作者简介]吴建星(1984-)，男，山西临猗人，助理研究员，长期从事巷道掘进与支护方面工作。

[基金项目]国家自然科学基金委——神华集团煤炭联合基金重点项目(U1261211);天地科技股份有限公司开采设计事业部科技创新基金资助项目(KCSJ-QNCX-2014-03)

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.06.018

[收稿日期]2015-08-11

[中图分类号]TD353

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2015)06-0067-05