相邻工作面回采影响下巷道围岩变形控制探讨

张宏伟

（山西中阳张子山煤业有限公司，山西 中阳 033400）

当前，国内近距离煤层开采技术已经较为成熟，但是近距离煤层巷道围岩支护问题却始终困扰着矿井安全生产。近距离煤层临近工作面回采过程中必将发生采动而互相影响，既会加剧工作面顶板岩层相对运动，又会影响采空区内自稳结构的稳定性，造成应力重新分布，甚至加剧上覆岩层空间结构变动趋势规律的复杂性。为保证矿井安全生产，必须加强回采工作面运输巷顶底板和侧帮支护。与其余煤层不同的是，近距离煤层相邻工作面回采过程中往往面临特殊的地质条件和工作面之间采动的互相影响，为此，必须采用特殊的煤巷支护方式，以为矿井安全生产提供保障。

1 矿井概况

矿井井田范围内主采5 号、9 号、11 号煤层，其中5 号、9 号煤层回采已完成，目前正在回采11 号煤层。9 号、11 号煤层平均间距为8.19 m，为近距离煤层；11 号煤层平均厚度4.87 m，倾角2°～3°，为近水平厚煤层。11 号煤层直接顶为平均厚度4.18 m的细砂岩，基本顶则为平均厚度3.11 m 的泥岩，其煤层顶底板岩性柱状图如图1 所示。

图1 煤层顶底板岩性柱状图

11 号煤层1104 回采工作面以东为待开采1105 工作面，以西为正在开采的1103 工作面，以北为矿界，以南为辅运巷。在1103 工作面回采影响下，1104 工作面临近侧辅运巷的矿压异常活跃，为保证矿井安全生产，必须对1104 工作面辅运巷进行合理支护。

2 巷道围岩支护数值模拟

2.1 巷道围岩支护方案

为判断煤巷围岩稳定性，并进行巷道支护方案设计，必须首先根据摩尔-库伦准则[1]确定出巷道围岩塑性区大小。具体而言，应使作用于岩体任意截面的法向应力和剪应力所构成的应力圆和剪切强度线相切，岩体必将顺着该切面发生滑移。在煤巷断面尺寸和形式既定的基础上，通过缩小塑性范围以增强巷道支护阻力。

11 号煤层1104 回采工作面辅运巷采用桁架锚杆加强支护形式，顶板则进行锚杆+预应力钢绞线锚索+金属锚网联合支护。顺着顶板中轴线并按3.0 m 的间距布置长度7.0 m 的锚索，再在两侧煤壁和巷道顶板交界处按3.0 m 间隔以45°斜角打入5.0 m 长锚索。长度2.1 m 的金属锚杆按1 000 mm×1 000 mm 的间排距布置，并与金属锚网形成联合支护结构。

通过锚杆（索）常规方式进行11 号煤层1104 回采工作面支护时，巷道顶板和两侧帮锚杆尺寸、形式、加强支护方式等必须完全一致。对于拱形巷道断面，因其受到上覆岩层垂直应力的作用，巷道受力会进一步顺着拱形切线方向向侧煤壁传递，剪切力最大的位置为拱形和煤壁交界处，同时此处也是最容易出现煤巷失稳变形的区域。将预应力桁架锚索从该区域斜穿而过并打入岩体深部，使其和顶板岩体共同形成剪应力来支撑主体。通过以上方式加强支护煤巷围岩的过程中，桁架锚索因承受上覆岩层垂直应力而发生与顶板岩体同步的弯曲变形，而形成完整的组合梁闭锁结构后，顶板上覆岩层整体性显著提升，塑性屈服范围降低，巷道侧帮片帮范围及顶板下沉问题得到极大缓解。

2.2 数值模拟

结合11 号煤层1104 回采工作面地质条件及失稳变形客观实际，通过FLAC2D分析软件进行辅运煤巷常规支护和加强支护情况下的数值模拟[2]。考虑到临近1103 工作面的回采影响，在模拟的过程中，临近1103 工作面回采侧煤壁应施加水平荷载，而临近1105 工作面的煤壁应施加水平约束，模型顶面和底面分别施加垂直应力与垂直约束。所构建的模型煤壁高1 000 mm，底宽5 000 mm，半圆拱半径2 600 mm。数值模拟所得到的11 号煤层1104 回采工作面煤岩物理力学参数如表1 所示。

表1 11 号煤层1104 回采工作面煤岩物理力学参数

采用同样方法对11 号煤层1104 回采工作面进行常规锚杆支护、桁架锚杆加强支护方式下的煤岩结构强度数值模拟。根据对不同支护形式下煤巷围岩位移程度的比较发现，巷道顶板在上覆岩层垂直应力的作用下均表现出不同程度的下沉变形，常规支护下顶板下沉变形量是加强支护方式下顶板下沉量的2～3 倍；临近1103 工作面采空区一侧的位移明显比另一侧位移大，而且常规支护方式下侧帮位移量均比加强支护下大。根据对不同支护形式下煤巷围岩塑性屈服范围的比较发现，顶板和侧帮交界区域煤岩塑性屈服范围最大；临近1103 工作面采空区侧煤岩塑性屈服范围明显大于另一侧；加强支护方式下因闭锁结构的形成而使顶板岩体、侧帮岩体塑性屈服范围明显减小。根据对煤巷围岩应力云图的比较分析发现，常规支护方式下，煤巷顶板围岩岩层表现为受拉状态[3]，岩层破碎的可能性较大；但加强支护方式下，闭锁组合结构使煤巷顶板岩层整体性与稳定性均显著增强。

3 煤巷围岩矿压观测

11 号煤层1104 回采工作面采用桁架锚杆加强支护方式后，为进行支护效果评价，在距离工作面80 m 的范围内按照5.0 m 间隔设置人工监测点，以观测煤巷顶底板、侧帮位移量。对观测结果分析发现，监测点和工作面之间的距离是影响煤巷围岩顶底板及侧帮移近量的主要因素，距离越近，移近量越大。在临近1103 工作面回采及1104 工作面初采的综合作用及交变荷载影响下，辅运巷深部岩层扰动呈加剧趋势，煤巷围岩顶底板及侧帮岩体均承受较大压应力。而在与工作面相距75 m 之外的区域，煤巷围岩结构基本稳定无变形。根据对1104 工作面辅运巷矿压的观测结果，顶底板和侧帮移近量最大值分别为20 mm 和10 mm，属于微小变形，表明该工作面采用桁架锚杆加强支护方式后，煤巷围岩变形得到有效控制。

4 结论

1）煤巷维护状况除受到单一巷道维护因素的影响外，还会受到近距离煤层开采过程中采场周围岩层运动、应力重新分布等的影响。

2）该矿井11 号煤层1104 回采工作面因受到西侧近距离1103 工作面回采的影响，采用常规锚杆索方式进行辅运巷支护时煤巷会表现出大范围的塑性屈服及严重的煤巷变形，不利于安全生产。

3）在采用桁架锚杆索加强支护方式后，能有效降低和控制煤巷变形，为矿井安全生产提供保障。