三向应力条件下工作面临空巷道围岩变形控制研究

何桂春 刘 阳

（晋能控股煤业集团晋华宫煤矿，山西 大同 037016）

根据《煤炭工业发展“十三五”规划》，截止到十三五末期，我国煤炭产量将控制在年产39 亿t左右，煤炭在我国能源中占比约58%。从中可以看出，未来很长一段时间内，煤炭在我国能源中的主导地位不会变[1]。而随着煤炭埋深的逐渐加大，深部煤炭在开采时就需要考虑上覆煤柱对下层煤开采时的应力影响[2-3]。此外，由于临近采空区，工作面煤柱及巷道受上覆岩层的应力影响，巷道围岩应力显现明显，工作面安全回采难度大[4-5]。而大采高工作面超前区域应力集中，巷道围岩变形明显[6-7]。因此，对于上覆煤柱及临空等条件下的大采高工作面巷道超前区域围岩变形特征和控制技术的研究就显得尤为重要[8-9]。

针对上述难题，本文以晋华宫煤矿11#层8714工作面为工程背景，研究上覆煤柱、临空压力和超前压力等三向应力条件下工作面巷道围岩变形特征和补强支护技术，并通过现场观测进行了验证，为今后相似条件下煤矿开采工作面巷道支护提供经验参考和思路借鉴。

1 概况

晋华宫矿井田位置位于山西省大同市北部区域，所采11#煤层赋存稳定，煤层结构简单。井田南部煤厚大，北部相对较小，煤厚1.69～4.02 m，平均为3.06 m，煤层倾角1°～5°，平均3°，为近水平煤层。地面标高1 248.6～1 325.2 m，工作面标高866～926 m，煤层平均埋深约390 m。11#煤层基本顶为细砂岩，厚度10.3 m；直接顶为细砂岩与粉砂岩互层，厚度1.76 m；直接底为粉砂岩。上覆7-4#层层间距42 m，上覆7#层层间距58 m。8714 工作面留设20 m 煤柱，煤层基本条件较好。

图1 11#层8714 工作面上下层位关系示意图

2 巷道围岩稳定性及变形特征分析

2.1 巷道围岩稳定性分析

巷道围岩的稳定性是多方面因素综合影响决定的，其中围岩强度、应力和巷道支护等三方面因素起主导作用。因此，要分析工作面巷道的稳定性，就要从以上三个方面进行分析。11#煤层8714 工作面上覆顶板为10.3 m 的细砂岩，为坚硬顶板，上覆岩层具有很强的承载能力，因此，在工作面回采过程中，当围岩裂隙发育至细砂岩层前，巷道围岩稳定性良好，当围岩裂隙发育至细砂岩层后，8714 工作面巷道将产生较大的变形失稳。11#层8714 工作面覆岩力学参数见表1。

表1 11#层8714 工作?面覆岩力学参数

11#层8714 工作面上覆7-4#层层间距为42 m，上覆7#层层间距为58 m。在7#层和7-4#层未开采前，11#煤层处于原岩应力状态，最大主应力和最小主应力分别为δ1和δ3。随着上覆煤层的开采，在上覆煤层留设煤柱支撑压力的影响下，11#煤层煤岩体中最大主应力δ1逐渐增大。随着11#层8714 工作面的回采，巷道顶板受到的最大主应力δ1有所减小，最小主应力δ3略有增大，顶板主要受到拉伸应力作用；巷道两帮受到垂直支撑压力的作用，最大主应力δ1增大，最小主应力δ3减小，主要产生剪切破坏。因此，11#层8714 工作面回采过程中，上覆煤柱区域巷道围岩应力会明显增大。此外，邻近8712工作面回采后，上覆各岩层破断垮落形成的侧向支撑压力与8714 工作面回采时的超前支撑压力产生叠加，5714 巷超前区域将出现明显的矿压显现。综上所述，8714 工作面回采时，5714 巷超前区域将受到上覆煤柱压力、临空压力和超前压力等三向应力的集中影响。高应力区巷道围岩微元体图如图2。

图2 高应力区巷道围岩微元体图

2.2 巷道变形特征分析

8714 工作面5714 巷巷道净宽为4.5 m，净高为3.0 m，巷道原有支护采用锚杆、锚索金属网联合支护，如图3。顶板支设4 排树脂锚杆+2 排锚索，锚杆间排距为1.0 m×1.2 m，锚索间排距为1.5 m×3.0 m；两帮护帮采用2 排锚杆配套金属网支护，锚杆间排距为1.3 m×1.5 m。顶帮支护锚杆均为左旋无纵肋螺纹钢式树脂锚杆，规格为Ф18 mm，L2000 mm，配套W 型钢带支护，锚索规格为Ф15.24 mm，L6000 mm。

图3 5714 巷道原有支护示意图（mm）

在实际回采过程中，在三向应力集中的区域，5714 巷超前区域围岩整体变形严重，顶板开裂、下沉，顶帮锚杆折断，煤壁片帮及底鼓现象明显。8714 工作面推进至200～500 m 时，5714 巷超前区域围岩发生较大变形，部分区域两帮移近、底鼓。变形后巷道宽度3.8 m，高度2.0 m（变形前为4.5 m×3.0 m），巷道面临较为严重的围岩控制和支护问题，需要对巷道顶板及煤柱侧巷帮进行补强支护，以减小巷道变形情况。

3 巷道围岩变形控制理论及支护

3.1 巷道围岩控制理论研究

针对8714 工作面回采过程中巷道围岩控制问题，结合工作面回采过程中5714 临空巷道超前区域围岩受到的三向应力，在实际的巷道围岩控制中，以增强巷道顶板承载力、改善巷道围岩应力环境为出发点，达到围岩控制和加强支护的目的。

煤柱下方巷道处于应力集中区域，受到高应力影响，围岩易破碎，但是8714 工作面顶板为坚硬顶板，本身具有很高的承载力，因此，采用高强度密集锚索吊梁和斜拉锚索提高巷道围岩完整性，同时在巷道围岩中注入马丽散使破碎的顶板形成一个整体，煤层上覆岩层中的裂隙趋于闭合，上覆岩层的垂直应力向巷道两侧深部岩层延伸，可以有效平衡巷道水平高应力的剪切作用。此外，在应力集中区施工十字锚索吊梁和贴帮锚索防止巷道围岩破碎垮落，共同提高巷道围岩特别是顶板的承载力，优化巷道围岩应力环境，

3.2 巷道围岩变形控制支护

根据巷道围岩稳定性和变形特征分析，在实际过程中采用如下方案进行巷道围岩的支护补强。5714 巷顶板补打Ф17.8 mm×6000 mm 高强度锚索和3.5 m 的工字钢吊梁，锚索间排距为1.3 m×2.0 m，工字钢吊梁排距为2.0 m。在巷道两帮施工Ф15.24 mm×4000 mm 的斜拉锚索，锚索角度为45°，排距3.0 m，配套0.6 m 长11#短节工字钢。最后，在巷道两帮下部补打1 排Ф18 mm×2000 mm 压网锚杆，防止煤壁片帮伤人，锚杆间排距为1.3 m×1.5 m。具体补强支护如图4。

图4 5714 巷围岩控制支护示意图（mm）

在三向应力集中的超前区域用锚索梁方式十字交叉加固，回采前30 m 在巷道顶板和两帮破碎区域注入马丽散提高顶板和两帮围岩强度；在顶板较完整区域距煤壁0.3～0.5 m 施工一排贴帮边锚索，规格Ф15.24 mm×6000 mm，锚索垂直于巷道顶板，防止巷道围岩开裂破碎后垮落。具体如图5。

图5 巷道应力集中区加?强支护示意图（mm）

3.3 现场实测分析

经工作面现场“十字布点”法观测，采取上述支护补强方案后，5714 临空巷在回采过程中超前区域巷道变形量较之前有了明显减小，特别是当采至1400～1800 m 上覆煤柱区时，巷道超前区域仅出现轻微变形。8714 工作面回采至1400～1800 m 时5714 巷超前区域围岩变形量如图6。

图6 5714 巷超前区域围岩变形量

4 结语

对三向应力条件下8714 工作面5714 临空巷道围岩变形特征和稳定性进行分析，提出了巷道围岩变形控制理论及支护技术。通过施工高强度锚索吊梁和斜拉锚索保证巷道围岩完整性，在应力集中区增加十字锚索吊梁和贴帮边锚索防止巷道围岩断裂失稳，发挥巷道围岩特别是坚硬顶板的自身承载力，最后通过对8714 工作面回采过程中5714 巷超前区域的实际位移观测表明，该技术对于三向应力条件下工作面临空巷道围岩变形控制效果显著，具有很好的应用价值。