不稳定采空区域巷道变形机理和支护的对策及应用

孙柏成

摘要：根据田陈煤矿北一采区111运输巷的采掘条件判断巷道属于不稳定采空区域的掘进，会产生一定的支护困难。分析巷道可能产生的大变形的原因为采空区的动载冲击、层间岩柱厚度对锚固性能的影响和回采超前支承应力的影响。对应提出了应采取以地质力学测试为基础的动态信息设计法和高预应力一次支护理念，并对支护材料进行优化，实现经济、安全和高效的掘进。

Abstract： According to the mining conditions of transportation lane 111 in North 1st Gob of Tianchen Coal Mine， it is judged that the tunnelling of unstabilized gob will have support problems. It is analyzed that the causes of the large deformation of roadway are the gob dynamic load impact， the influence of the interlayer thickness of rock pillars on anchorage performance and the influence on recovery lead bearing stress. The ideas of using the dynamic information design method of taking geological mechanics test as the basis and high prestressed supporting are put forward to optimize the supporting materials， realize the economic， safe and efficient driving.

关键词：近距离煤层；未稳定采空区；大变形；动态信息设计法；高预应力支护

Key words： close distance coal seams；unstabilized gob；large deformation；dynamic information design method；high prestressed bolting

中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）07-0150-02

0 引言

由于采掘衔接和煤层间距的影响，不同程度的存在巷道支护的难题。动压巷道的支护也是研究的热点和难点，特别是采掘动压下，应力场的持续变化使得难易准确确定应力变化的幅度，造成支护系统的适应性难以把握。近距离煤层的动压巷道分为两种，一种是邻近煤层回采完毕，已稳定，下一煤层开采下的动压问题，比如沿空掘巷、留巷复用巷道等，其本质还是同一煤层的动压问题，关键点是上一层煤的留设煤柱的大小及与巷道的空间关系；另一种是上下两层煤在较短时间内同采，本煤层的掘进巷道受邻近煤层采掘活动的影响，关键点是采空区的稳定程度及其与受影响巷道的时空关系。

田陈煤矿北一111运输巷即属于第二种情况，巷道布置在刚刚回采结束的上层煤采空区下，煤层间距不稳定，整体较小。因此，巷道掘进受上覆采空区的影响较大，巷道掘进的应力环境不断变化，甚至在层间距较薄的区域可能出现不能自稳的现象。基于此，需对北一111运输巷的采掘条件进行细致分析，预估巷道可能出现的大变形及产生机理，并采取超前预案对巷道的支护进行改进。实现巷道的安全高效掘进和安全回采使用，为类似条件下的巷道支护工作提供借鉴。

1 概述

田陈煤矿北一111运输巷由于衔接紧张，只能在上覆3上101工作面刚刚回采结束时即进行掘进，采掘空间关系。3上煤层101和103工作面均已回采完毕，留设有4m小煤柱，煤柱距离北一111运输巷的水平距离为20m。遗留煤柱可能会对111运输巷造成一定的影响，但影响不大。两层煤之间的岩柱厚度不均，厚度范围为3～8m。煤层顶板：伪顶0～0.5m泥岩，直接顶为1.5～11m砂泥岩互层，老顶为45～12m细砂岩。

2 分析

通过以上巷道的概况分析，判定北一111运输巷属于可能会支护困难的巷道，原因及机理分析如下：

①不稳定采空区的动压影响，顶板砂岩及以上岩层的破断和垮落会产生一定的冲击波。另外，巷道掘进煤层及顶板在上层煤的回采影响下会产生一定的应力集中，掘进扰动同样会产生一定的冲击动载荷。冲击波会产生附加的动载，会造成围岩中应力突变，破坏加剧；更会对已形成的支护结构造成冲击，支护体积构件易破坏失效。

②若层间距较薄，巷道顶板受上层煤回采影响遭到一定破坏，锚杆、锚索的锚固性能受影响，作用会打折扣。锚杆和锚索的锚固性能是支护的根基，特别是有老空水存在的情况下。要密切观测岩柱的厚度及钻孔的钻进响应，及时调整锚杆锚索的长度和锚固参数，保证锚固力，保障支护的可靠性。

③因为上层煤的采空，下层煤回采造成的扰动空间更大，回采阶段超前支承压力的影响会更大，巷道在超前影响及工作面端头附近的压力显现会更大。上层煤回采后，下层煤巷道上部没有较大范围的自稳岩层结构，当回采超前支承压力开始影响时，两层煤之间的岩柱会承受较大的压力，巷道变形会剧烈增加。要求支护的稳定性更高，要考虑回采时巷道变形的可控。

3 對策

针对以上巷道地质及采掘条件的概述，应切实重视北一111运输巷的支护问题，要改变传统观念，积极采用国内先进的、成熟的设计理念和方法进行支护改革。在保证巷道安全高效掘进的同时，降低巷道综合维护成本，为矿井的降本增效树立典型。我们拟采取的方法及对策如下：

3.1 地质力学参数测试

进行地质力学测试，获取地应力大小及方向、围岩强度和围岩结构等基础参数，为支护设计奠定基础。在进行巷道支护设计和施工及巷道变形破坏原因分析时应综合考虑区域应力场、煤岩体强度和煤岩体结构等综合因素。地质力学测试是进行巷道支护设计和施工的前期工作和必要手段，地质力学参数是保证设计和施工科学和安全的基础数据。田陈煤矿井下构造复杂，区域差异性较大，煤层埋藏深度在-110～-1060m，建议在今后生产过程中针对开采水平以及地质条件的变化，不断进行有针对性的测试工作，以期更详细和准确地掌握井下地质力学状况。

3.2 动态信息设计法

现有的锚杆支护设计方法很多，如基于以往经验和围岩分类的经验设计法，基于某种假说和解析计算的理论设计法，以现场监测数据为基础的监控设计法。大量实践经验证明，单独采用任何一种方法都不符合巷道围岩复杂性和多变性的特点，因而达不到理想的设计效果。只有采用包括试验点调查和地质力学评估、初始设计、井下监测和信息反馈、修正设计和日常监测的动态信息设计方法，才是符合井下巷道围岩特性的科学的设计方法。

动态信息设计法最重要的一环是进行矿压监测、数据分析并反馈，监测数据是进行设计动态调整的依据。因此，要切实加强巷道矿压的监测，并及时进行分析反馈，以便随时调整支护参数。

3.3 高预应力强力一次支护

高预应力支护理论近年来得到了普遍的认可，已成功解决了诸如强烈动压、沿空留巷、千米深井、软岩等全国性支护难题，其要点包括：

①巷道围岩变形主要包括两部分：一是结构面离层、滑动、裂隙张开及新裂纹产生等扩容变形，属于不连续变形；二是围岩的弹性变形、峰值强度之前的塑性变形、锚固区整体变形，属于连续变形。合理的巷道支护形式是，大幅度提高支护系统的初期支护刚度与强度，有效控制围岩不连续变形，保持围岩的完整性，同时支护系统应具有足够的延伸率，允许巷道围岩有较大的连续变形，使高应力得以释放。

②预应力锚杆支护主要作用在于控制锚固区围岩的离层、滑动、裂隙张开、新裂纹产生等扩容变形，使围岩处于受压状态，抑制围岩弯曲变形、拉伸与剪切破坏的出现，使围岩成为承载的主体。

③锚杆预应力及其扩散对支护效果起着决定性作用。根据巷道条件确定合理的预应力，并使预应力实现有效扩散是支护设计的关键。单根锚杆预应力的作用范围是很有限的，必须通过托板、钢带和金属网等构件将锚杆预应力扩散到离锚杆更远的围岩中。

④预应力锚杆支护系统存在临界支护刚度，即使锚固区不产生明显离层和拉应力区所需要支护系统提供的刚度。

⑤锚杆支护对巷道围岩石的弹性变形、峰值强度之前的塑性变形、锚固区整体变形等连续变形控制作用不明显，要求支护系统应具有足够的延伸率，使围岩的连续变形得以释放。

⑥对于复杂困难巷道，应采用高预应力、强力锚杆组合支护，应尽量一次支护就能有效控制围岩变形与破坏，避免二次支护和巷道维修。

3.4 支护材料的优化和优选

前面提到，预应力及预应力的扩散是高预应力强力支护的核心，好的支护构件可以起到事半功倍的效果，因此根据矿井实际情况进行支护材料的优化和优选是降本增效的关键。

田陈煤矿计划在北一111运输巷进行支护材料的改革试验，借鉴先进理念，优化调整部分支护材料，最大程度的降低支护密度。拟进行调整的支护材料包括：①锚杆及锚杆托板。锚杆不一定是强度越高越好，关键是强度的利用率，要选取适合的杆体。顶板采用？准18×2000左旋高强螺纹钢树脂锚杆，配k2535型树脂锚固剂2支，锚杆托板采用铁托盘为正方形，变更为可调心高强拱形托板，规格为150×150×10mm，用10mm钢板压制成弧形，改善杆体受力，易于施加高预应力，减少锚杆的受剪破断。②锚索及托板。锚索材料在不增加直径的情况下，可以改变钢绞线结构，既增大了极限载荷，又增大了延伸率。托板选用可调心托板，改善受力，易于施加预应力。锚索采用Φ17.8mm钢绞线，长度以锚入基岩不小于1.5m为准，锚索所用托盘为Q235A钢板加工制作的“M”型专用托盘。③调整锚杆护表构件。传统的钢筋托梁在条件相对简单时，使用方便，成本较低，当条件复杂时，易开裂、拉断至失效。W钢带的厚度较小时，易发生受剪撕裂和受拉的脆性断裂，且不能很好适应巷道成形。可以在111运输巷试验新型W钢护板，既扩大锚杆作用范围，实现预应力扩散，又不易撕裂破坏，应用后巷道成形好。

最终在高预应力支护体系下，保持低支护密度和高可靠性，实现经济、安全的支护。

4 结论

①近距离煤层的开采一直是国内外行业研究的热点和难点，田陈煤矿3上及3下煤同采，采掘相互扰动，常有巷道维护的难题。

②北一111运输巷在不稳定的3上采空区下掘进，有不确定的因素会导致大变形，如采空区岩层断裂及掘进层位应力集中掘进扰动产生的动载冲击波、巷道顶板受上层煤回采影响破坏和本工作面回采时的巷道变形控制等。

③借鉴国内行业先进成功经验，拟在运输巷进行地质力学测试，采用动态信息设计法和高预应力支护理念进行支护试验，在保证安全事故为零的前提下，加快了掘进进度日增加掘进进尺1.1m，以实现安全、经济和高效快速掘进最大化。

參考文献：

[1]李振雷，田素川，徐建文，彭远川.锚杆锚固机理及深部复杂困难条件的巷道支护[J].山东煤炭科技，2010.

[2]张丕林.关于煤柱锚杆巷道支护设计的研究[J].科技资讯， 2012.

[3]张仰龙.新阳矿煤柱锚杆巷道支护技术应用[J].中国矿业，2012.