多次采动影响下高应力煤巷围岩控制技术

齐红霞，许志军，杨舜超，叶 兰

(1.中国矿业大学 环境与测绘学院，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116； 3.应急管理部信息研究院，北京 100029)

近年来随着我国煤矿开采范围和强度的不断增大，复杂困难煤巷数量也相应不断增多，包括多次采动[1，2]、软弱顶板[3，4]、特大断面等[5]类型，直接影响矿井的采掘衔接和安全生产等，成为现场亟需解决的问题之一，本文主要针对多次采动应力影响下煤巷围岩稳定性控制开展研究。围绕采动煤巷围岩控制方面，乔元栋等[6]针对小纪汗煤矿11215 回风巷在二次采动影响下全断面剧烈收敛问题，提出差异化巷道围岩支护技术，采用“长锚索、高预应力锚索+钢带”联合差异化控制；何满潮等[7]提出采用恒阻大变形锚杆控制技术；Wang等[8]、刘国磊等[9]针对深部高应力动压巷道，提出采用方钢(钢管)混凝土支架进行支护；余伟健等[10]提出预应力锚索、锚喷网和注浆综合控制技术；何宗礼[11]等提出采用预应力协同支护技术；袁超[12]提出采用以可接长锚杆、刚性长螺纹钢锚杆、锚网、W 钢带、喷射混凝土为主体，可接长锚杆强化顶板的综合控制技术；于洋等[13]在巷道围岩钻孔卸压的基础上，提出围岩分区支护；龙景奎[14]针对深部高应力软岩巷道高围压、大变形和难控制问题，提出协同锚护支护体系。上述研究学者针对高应力或采动巷道变形特征提出了不同的控制技术，但对于多次采动应力影响区域条件下掘进巷道围岩的稳定性控制研究较少。

中兴煤矿1209材料巷掘进前所在区域先后经历上覆10209工作面回采影响，邻侧1411工作面回采影响，属于典型的多次采动应力影响区域煤巷，调研发现在该巷道掘进过程中围岩呈现全断面变形现象，支护系统受到较严重破坏。

1 工程概况

1.1 生产地质条件

中兴煤矿1209工作面位于一采区北翼，走向长1252m，倾向长1段163m、2段151m，北面为安则村保安煤柱线，南面为一采回风巷、一采东轨道大巷、东运输巷，东面为1207工作面，西面为1411采空区。1411采空区正上方为1211采空区，1209工作面布置如图1所示。

图1 1209工作面布置

1209综采工作面布置在4#煤层，4#煤位于山西组下部，平均煤厚2.35m，煤层结构较简单，含夹矸1～2层，直接顶为页岩、砂质页岩互层，直接底为0.5m炭质泥岩，基本底为浅灰色细粒砂岩，厚度为1～3.5m；煤质属中灰、低中硫的瘦煤、焦煤，煤层平均倾角7°。

1209材料巷原支护参数如下：顶锚杆采用左旋无纵筋螺纹钢锚杆，规格∅22mm×2400mm，每孔使用树脂锚固剂K2335和Z2360各一根，间排距975mm×1000mm，每排5根锚杆；顶板锚索采用∅21.6mm×7300mm钢绞线，间排距2000mm×1600mm。巷帮采用左旋无纵筋螺纹钢锚杆，规格∅20mm×2200mm，锚杆布置3根/排，间排距900mm×800mm，每孔使用1根Z2335树脂锚固剂。

1.2 巷道异常矿压显现特征

1209材料巷掘进过程中巷道围岩和支护结构变形破坏严重，出现“前掘后修”的被动局面，在1209工作面回采前累计返修达4～5次。选择在1209材料巷距巷道开口275m处巷道围岩变形监测数据进行分析，如图2所示，由图2可得：巷道在掘进过程中围岩呈全断面变形，顶底板移近量超过1.8m，两帮回缩量达1.1m；采取增加锚索数量、安装工字钢、挖底等返修措施，控制效果均不明显；巷道在前6个月时间内经历多次挖底，其中单次挖底最大深度为300mm，但巷道仍变形剧烈，在返修后一段时间巷道再次出现整体变形。另外，巷道围岩阶段性变形特征明显，顶底板随时间呈不稳定变化状态。

图2 1209材料巷典型测点围岩变形量

2 多次采动下煤巷围岩应力变化特征

中兴煤矿煤巷围岩强度较低，尤其在受多次采动的影响下，围岩变形量和破坏范围更大。巷道开挖前，岩体受到三向压应力处于受力平衡的稳定状态。巷道开挖后，应力重新分布，利用FLAC3D软件模拟分析1209材料巷在1211、1411和10209工作面开采后的垂直应力变化特征。

2.1 数值模拟模型的建立

结合工作面现场钻孔资料和多次采动的背景条件，建立三维数值模型尺寸为长×宽×高=500m×400m×290m，模型主要由位移边界和应力边界组成，两边固定水平位移，底边固定垂直位移，模型顶部施加等效于上覆岩层自重的均布载荷7.82MPa；模型的尺寸和边界条件设置如图3所示。该模型选取摩尔库伦模型，数值模拟的岩层参数见表1。

图3 数值模型尺寸及边界设置

表1 计算模型中煤岩层力学参数

2.2 模拟结果分析

模型先进行1211工作面的开挖，开挖后进行计算至平衡；再对10209和1411工作面开采，开采高度分别为2#和4#煤层的高度为1.3m和2.4m，设置应力监测线，提取其应力值进行分析。

模拟计算得到1211、1411、10209工作面回采后垂直应力分布云图，如图4所示。由图4(a)可得1211工作面开采后在工作面两侧形成应力增高区，但对1209材料巷围岩应力影响相对较小；由图4(b)得出1411工作面和10209工作面开采后，在两个工作面煤柱侧应力急剧增高形成应力增高区。

图4 不同工作面开采后垂直应力分布

煤柱内不同水平距离时垂直应力变化特征如图5所示，由图5可得，1211、 1411和10209工作面开采后，随着1209材料巷煤柱侧煤帮中点与1411采空区距离增加，垂直应力呈先增高后降低变化过程，垂直应力峰值达29.9MPa，距1411采空区煤柱侧18m；1209材料巷所处区域距1411采空区煤柱侧27m，垂直应力达到23.6MPa。

图5 煤柱内不同水平距离时垂直应力变化特征

3 多次采动影响煤巷控制技术

针对多次采动下应力叠加致1209材料巷围岩处于高应力区域的复杂条件，提出以顶帮双强力锚索桁架系统为核心的控制方案。该方案采用顶帮双强力锚索桁架系统-单体锚杆(索)-顶板(帮)钢带-槽钢-金属网支护系统维护巷道，形成整体支护结构。其中，顶帮双强力锚索桁架系统结构如图6所示，具体包括三种小结构，即结构I：由直径为21.6mm的大直径长锚索和特制联接器构成；结构Ⅱ：主要由直径为21.6mm的大直径短锚索、槽钢和锚索锁具构成；结构Ⅲ：主要由顶板大直径长锚索和巷道两帮上部大直径短锚索构成；结构Ⅳ：主要由巷道两帮下部大直径短锚索构成。

图6 顶帮双强力锚索桁架支护结构

顶帮双强力锚索桁架系统控制巷道机理可简要概括为“双向施力、长软抗剪、线型承载、锚固点稳、变形闭锁”五条准则[15，16]。顶板强力锚索桁架支护系统是将处于受压状态的巷道两肩窝深部岩体作为锚固点和承载结构的基础，采用高预拉力对拉并锁紧两根大直径钢绞线，直接作用于顶板浅部的围岩，提供水平预应力改善顶板的应力状态，强化低位岩体的力学性能和提高其抗变形性能，控制层状顶板的不协调变形；帮强力锚索桁架系统控制作用类似，通过顶帮双锚索桁架系统的协同作用，有效控制高应力巷道围岩的整体变形。

4 现场工业性试验

4.1 支护方案和参数

1209材料巷断面为矩形布置，巷道断面宽×高=4.2m×2.8m，综合理论分析、数值模拟、工程类比及现场观测等方法，确定了顶帮双强力锚索桁架系统-单体锚杆(索)-顶板(帮)钢带-槽钢-金属网支护于一体的组合支护方案具体参数，如图7所示。

图7 1209材料巷顶帮双强力锚索桁架支护布置(mm)

1)顶板支护。顶板的锚索支护为强力锚索桁架和单体强力锚索联合支护，强力锚索桁架结构中锚索的排距为1.6m，在每两排强力锚索桁架结构之间打一排单体锚索，单体锚索排距为1.6m。单体锚索采用∅21.6mm的1×7丝高强度预应力钢绞线，锚索眼深8m，锚索长度8.3m，钻孔直径28mm，树脂加长锚固，锚固药卷采用四支∅23mm×550mm的中速树脂药卷，锚固长度为2250mm，锚索的预紧力不得低于200kN。锚索排距为800mm，每排布置2根锚索，间距为800mm。强力锚索桁架采用∅21.6mm的1×7丝高强度预应力钢绞线，锚索长度为9.4m，锚索眼深8m，钻孔直径28mm，采用四支∅23mm×550mm的中速树脂药卷，锚固长度为2250mm。强力锚索桁架系统的底部跨度为2.1m，锚索孔口距煤帮1050mm，锚索钻孔与铅垂线的夹角为20°，预紧力不得低于200kN。

2)巷帮支护。巷道两帮采用锚杆(索)、金属网、钢带(槽钢)组合支护。采用∅21.6mm的1×19丝高强度高延伸率预应力钢绞线，锚索长度为5.3m，锚索眼深5.0m，钻孔直径28mm，锚固长度为2250mm。帮锚索排距为1600mm，每排两根单体锚索用槽钢连接。两根帮锚索孔口距离为1.2m，上位锚索孔口距顶板1.0m。

4.2 支护效果监测

为了分析1209材料巷掘进过程矿压显现以及检验顶帮双强力锚索桁架系统的控制效果，需要对试验段巷道围岩开展矿压观测。

1)巷道围岩表面位移曲线如图8所示，由图8可以得出，在观测的两个月中，1209材料巷试验区域断面收敛率很小，顶板下沉量小于79mm，两帮移近量小于191mm，对多次采动影响下巷道的变形控制起到了显著成效。

2)从现场支护效果来看，观测的两个月中巷道支护结构稳定，现场未挖底，未增加锚索等加强支护以及其他类似返修加强支护工作，大幅节约了返修成本，减小了工人劳动强度，有效保障了1209综采工作面安全高效开采。

图8 巷道围岩表面位移曲线

5 结 论

1)多次采动条件下高应力煤巷变形特征表现为：呈全断面变形、阶段性变形特征显著、传统挖底扩帮加固后巷道稳定时间相对较短，仍呈现大变形过程。

2)数值模拟分析得出多次采动后1209材料巷位置为高应力区域，垂直应力达23.6MPa。

3)提出多次采动条件下掘进煤巷1209材料巷的控制方案，即：顶帮双强力锚索桁架系统-单体锚杆(索)-顶板(帮)钢带-槽钢-金属网组合支护系统。

4)现场试验得出巷道典型监测点顶板和两帮最大变形量分别为79mm和191mm，巷道变形量较小，有效保障了多次采动条件下高应力煤巷围岩的稳定。