回采工作面多巷布置复用巷道全锚索支护技术研究

岳延朋，王 涛，孙志勇

(1.山西天地王坡煤业有限公司,山西 晋城 048000；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；3.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013)

王坡煤业为高瓦斯矿井，主采3#煤层，采用综放开采工艺。为了有效解决运输、通风及瓦斯等问题，工作面采用多巷布置的方式，同时为提高采掘衔接效率，这种布置方式下的外围巷道需要保留复用，其不仅受到本工作面超前与后方支承压力作用，而且会受下一个工作面超前支承压力的影响，复用巷道服务于两个回采工作面，服务时间长，该类巷道围岩变形控制较为困难。

针对复用巷道支护问题，国内外学者已经进行了一些研究工作。如晋城矿区针对大采高、综放工作面留巷生产地质条件，采用数值模拟方法研究了不同煤柱宽度下煤柱应力分布特征、塑性区范围[1]。也有研究人员结合煤柱应力监测、钻孔结构观察等手段，对留巷矿压显现规律进行研究，确定了留巷的护巷煤柱宽度[2-4]。康红普[5-7]、吴拥政[8]等开发出了高预应力、强力锚杆与锚索支护系统，在沿空留巷及受强采动影响巷道中得到了成功应用，有效控制了围岩强烈变形；该系统在晋城矿区的部分留巷巷道中也得到了初步应用，并取得了较好的支护效果[9-10]。

笔者基于王坡煤业工作面多巷布置复用巷道地质与生产条件，通过现场实测和数值模拟，研究复用巷道采动应力场分布规律和围岩变形、破坏特征及影响因素，以期为分层联合支护提供技术支持。

1 工程概况

1.1 工作面概况

王坡煤业3308工作面开采3#煤层，回采长度为2 035 m，工作面长度为180 m，埋深为500～750 m，工作面煤层平均厚度为5.27 m，煤层平均倾角6°，为近水平稳定煤层。煤体受采动影响后易产生次生裂隙扩展变形导致煤体强度弱化，承载能力降低。3308工作面巷道布置如图1所示。

图1 3308工作面巷道布置图

3308工作面东西两侧共布置3条巷道，3308工作面运输巷和3306工作面运输巷均为复用巷道，3310工作面已采完，3308工作面回风巷为新掘进一次性使用巷道。3308工作面采用一进一回U型通风方式，3308工作面回风巷掘进同时在其外侧35 m处掘进3306工作面运输巷作为抽采辅助巷抽排3308工作面采空区瓦斯。3306工作面运输巷沿煤层顶板掘进，在3308工作面回采后将其保留并作为相邻3306工作面进风巷继续使用。根据3308工作面运输巷支护现状和矿压显现规律，3306工作面运输巷也采用类似支护方式，其在受到动压影响后势必会产生大变形导致后期维护困难。

1.2 地质力学参数测试

为了更全面地了解3306工作面运输巷煤岩体地质力学性质，在3308工作面运输巷和回风巷掘进成型后分别布置测站进行地应力、围岩强度测定[11]。地应力测试结果如表1所示。

表1 3308工作面地应力测试结果

由表1可以看出，所测区域应力排序为σH>σv>σh，应力场为最大水平主应力占优势的高应力值区域，最大水平主应力方向为NW33.6°～36.6°，2个测点应力方向具有很好的一致性。

采用钻孔触探法在3308工作面巷道帮、顶布置6个测点对深度10 m范围内煤岩体强度进行测试。围岩强度测试结果如图2所示。

(a)顶板岩体强度

由图2可以看出，顶板以上0～8.2 m为泥岩，岩层抗压强度平均值为19.88 MPa；8.2～10.0 m为中砂岩，岩层抗压强度平均值为59.37 MPa。帮部煤体强度平均值为15.42 MPa。

采用矿用电子钻孔窥视仪对6个钻孔的帮、顶煤体围岩结构进行观察，结果表明：顶板0～8.2 m为泥岩；8.2～14.5 m为中砂岩；14.5～19.5 m为粉砂质泥岩；19.5～20.4 m为细砂岩；20.4～23.0 m为粉砂质泥岩；0～2.9 m裂隙发育，岩层完整性差；2.9～22.8 m整体岩层完整性好，局部夹泥岩薄层，微裂隙发育。帮部煤体0～1.4 m完整；1.4～2.4 m松软破碎，完整性差；2.4 m后塌孔现象普遍。

结合井下复用巷道顶板围岩淋水区域变形更为强烈的特点，选取不同层位顶板泥岩岩样进行成分分析和鉴定，X-射线衍射结果如表2所示。

表2 黏土矿物X-射线衍射分析结果

地质力学参数测试结果表明，3308工作面地应力侧压系数为1.22，最大水平主应力占主导作用，水平应力对巷道顶底围岩变形的影响大于巷帮，应加强顶板支护。巷道支护范围内煤岩体具有强度低，煤体内次生裂隙发育，顶板泥岩中伊蒙混层、高岭石等黏土矿物含量高等特点;围岩属松散破碎软岩，易风化和遇水膨胀软化。

1.3 复用巷道支护现状

3308工作面运输巷采用锚杆、索支护，其中锚杆钢号MG500，直径22 mm，长度2.4 m，间排距0.9 m×1.0 m；锚索为1×19股高强度矿用钢绞线，直径22 mm，帮、顶长度分别为4.3、6.3 m，间排距为1.2 m×1.0 m；金属网采用机织菱形网，网格尺寸为50 mm×50 mm。掘进期间巷道围岩变形很小。受3310工作面回采动压影响，巷道全断面收缩变形严重，具体表现为顶板锚杆、索破断，围岩风化破碎、下沉、网兜明显，部分网片被锚索托盘拉穿撕破，钢带弯折、撕裂；局部区域巷帮鼓包严重，煤柱侧帮变形较大，强烈底鼓；顶板下沉量达到325 mm，底鼓量达到1 200 mm，两帮移近量达到600 mm。因此，需要投入大量人力、物力对巷道进行维护才能满足复用要求。

2 采动应力影响下复用巷道围岩变形破坏规律研究

以3308工作面运输巷为研究对象，采用FLAC3D软件建立数值模型，基于动压的影响，对复用巷道不同回采阶段采动应力和围岩表面位移进行监测。研究不同回采阶段巷道围岩应力分布、变形及破坏特征，分析复用巷道围岩变形破坏影响因素。

2.1 工作面回采过程采动应力场分布

3310工作面开采后在工作面前方形成影响范围约40 m的较高支承压力区，应力峰值位于工作面前方10 m左右，集中系数为2.28。在3310工作面后方，3308工作面运输巷护巷煤柱偏工作面侧应力集中显著，峰值达到46 MPa，集中应力对3308工作面运输巷围岩应力产生了明显的扰动，应力分布三维云图如图3所示。

(a)3310工作面回采后方应力分布垂直剖面云图

由图3可以看出，3310工作面开采后，侧向支承压力与3308工作面运输巷掘进扰动压力相叠加，巷道围岩呈现非对称性高应力分布特征，煤柱侧承受更高的垂直应力。3308工作面运输巷巷帮、顶底板塑性区范围明显增大，顶板出现2.8 m左右的塑性区，底板破坏深度达2.2 m，煤柱侧巷帮的塑性区宽度达到2.6 m，实体煤侧巷帮的塑性区宽度为2.1 m。

2.2 采动影响复用巷道变形破坏特征

结合3308工作面运输巷围岩自身特征、所处工程力学环境，以及对3310工作面回采期间矿压监测数据进行分析，可知复用巷道变形有以下特征：

1)围岩变形持续时间长。复用巷道围岩变形经历巷道掘进影响、本工作面超前采动影响、本工作面后方采动影响及下一个工作面超前采动影响4个阶段。复用巷道围岩位移分布曲线如图4所示。

图4 复用巷道围岩位移分布曲线

采动影响期间岩体具有显著的流变性，故其变形具有明显的时效性，大致分为剧烈变形、缓慢变形和稳定变形3个阶段。

2)围岩变形量大。围岩呈现全断面收缩变形。全生命周期全断面收缩变形量大，其中在滞后3310工作面和3308工作面回采超前支承压力影响期间变形量占总变形量80%以上；滞后本工作面约200～300 m，第一阶段采动影响下围岩变形趋于稳定。

3)围岩变形的空间效应。围岩变形对应力变化非常敏感，巷道来压方向表现为四周来压，矿压显现强烈。

4)围岩显著变形导致支护体及其构件被严重破坏。锚杆、索破断，托板压翻、压平甚至压裂，W钢带发生严重弯曲甚至撕裂，金属网出现大网兜、被撕破，往往需要采用木垛、单体柱或木点柱进行加强支护以防止顶板漏冒。

2.3 复用巷道围岩变形影响因素

通过分析归纳可知，影响复用巷道变形的主要因素有以下几点：

1)3308工作面埋深达到700 m以上，地应力水平高。根据井下实测数据可知，地应力处于高应力值区域，其最大水平主应力的方向为NW36.6°方向，与井下巷道轴向方向均呈现斜交，不利于巷道维护。

2)3308工作面区域顶板泥岩厚度为8.2 m，抗压强度低，易风化、遇水易膨胀的黏土矿物含量高。巷帮煤体含有丰富的原生节理裂隙，受采掘动压扰动影响，极易产生碎胀变形。在低强度的松散破碎围岩条件下支护承载结构稳定性差，支护承载结构对采动应力变化非常敏感，不利于巷道维护。

3)3#煤层厚度大、采动应力集中系数高、来压强度大、影响范围广。巷道服务于2个回采工作面，服务时间长，多次动压影响加剧了巷道围岩变形。

4)支护参数不合理。通过现场实测和数值模拟分析表明，3310工作面回采完毕后巷帮、顶板煤岩体产生塑性破坏的深度均超过锚杆锚固深度范围，一旦煤岩体内裂隙发育深度超过锚杆支护范围，锚杆在破碎低围压条件下锚固力会急剧降低。锚杆与破裂煤岩体将同步向巷道空间内变形运移，进而造成锚杆支护失效。当煤岩体持续变形超过锚杆、锚索极限延伸量时，则出现锚杆/索破断现象。应根据地质与生产条件变化、围岩变形特点，选择合理的支护形式与参数。

3 采动影响下复用巷道围岩变形控制原理

通过前述分析可知，3308工作面运输巷产生变形破坏的主要原因是原岩应力高、松散破碎围岩条件下复用巷道受3310工作面产生的高水平采动应力扰动影响，锚杆(索)支护与巷帮顶板煤岩体形成的承载结构承载力相对偏弱，难以控制巷帮、顶板煤岩体的扩容碎胀变形，围岩内部裂隙扩展发育深度超过锚杆支护范围，造成锚杆支护失效，支护承载结构性能弱化，围岩失稳破坏进而产生大变形。

相关研究表明[12-13]，卸压能弱化采动应力扰动影响，提高支护承载能力，是减小动压影响复用巷道围岩变形的有效手段。采用放炮、水力压裂等技术预裂弱化工作面端头上覆岩层，优化工作面回采形成的悬臂梁结构，能有效降低复用巷道煤柱载荷。在王坡煤业部分工作面也进行了卸压技术试验，但卸压效果存在着不确定性，限制了其应用，类似地质条件下卸压机理仍需要进一步研究。

锚索具有锚固深度大、承载能力高、可施加高预应力的特点，能显著提高支护系统的强度与刚度，增强煤岩体的承载能力，因此能够获得比较理想的支护效果[14-15]。高应力、高延伸率强力锚索全断面支护技术是大变形复用巷道的有效支护方式。高预应力全锚索支护技术能提高支护体锚固深度及施加更大的预紧力，从而增加拱形承载结构的总厚度；采用合理的间排距，保证单根锚索施加的高预应力相互叠加，从而为承载结构提供更高的围压；增大煤岩体的内摩擦角和黏聚力，提高复用巷道围岩的抗剪强度和抗拉强度及整体性，从而大幅度提高煤岩体的支护强度。同时锚索的高延伸率能提高煤岩体的支护刚度，允许复用巷道在采动应力影响下围岩有一定的弹塑性整体变形，避免离层、滑动和裂隙张开等导致围岩强度降低的有害扩容变形，保证支护系统适应性[16-20]。

4 工业性试验

4.1 支护方案

基于上述理论分析对3306工作面运输巷支护方案进行优化，并开展全锚索支护方式试验。支护布置方式如图5所示。

图5 3306工作面运输巷全锚索支护布置图

1)顶板支护参数。锚索规格为SKP22-1/1 860-4 300/6 300。4.3 m锚索间排距为1.1 m，每排布置5根，垂直于顶板布设；6.3 m锚索间距为1.5 m和3.0 m，排距为1.1 m，每排布置2根，布置在两排短锚索之间。锚索配合采用300 mm×300 mm×16 mm高强度拱形托板和调心球垫；长、短锚索设计张拉力为310 kN，损失后不低于250 kN。采用钢筋网+塑料网双层网护表，钢筋网采用ø6.5 mm钢筋焊接，网孔规格为100 mm×100 mm，掘进成型后对顶板进行喷浆封闭。

2)巷帮支护参数。锚索规格为SKP22-1/1 860-4 300。巷帮锚索间距为0.9 m、排距为1.1 m，每排布置4根，垂直于巷帮布设。巷帮锚索设计张拉力为210 kN，损失后不低于150 kN。护表金属网网格尺寸为50 mm×50 mm,由8#铅丝编织而成。

4.2 井下矿压监测与分析

4.2.1 围岩表面位移

3306工作面回采期间复用巷道围岩变形监测结果如图6所示。

(a)1#测站

由图6可以看出，3306工作面运输巷掘进期间变形量很小，工作面超前支承压力对巷道影响并不明显，在3308工作面后方50 m范围内，巷道变形量不大；50～250 m变形量明显增大；超过工作面后方250 m范围变形速度逐渐减小，并趋于稳定，巷道两帮最大移近量为140 mm，顶板下沉量最大为130 mm，底鼓量最大为240 mm。总体来说，巷道位移较小。与3308工作面运输巷相比，动压影响期间两帮、顶板和底板变形量分别降低了75%、60%和80%，取得了较好的支护效果。

4.2.2 锚索受力

3306工作面回采期间锚索轴向拉力监测曲线如图7所示。

(a)巷帮锚索

由图7可以看出，在工作面后方巷帮锚索受力变化幅度较小，工作面后方约150 m处锚索受力趋于平稳，最大受力为194 kN；顶板锚索拉力变化幅度较大，在工作面后方约100 m处逐渐增大，至工作面后方约300 m处锚索受力趋于平稳，最大受力达到400 kN。巷帮、顶板锚索受力均未达到极限破断力，说明全锚索支护技术较好地控制了顶板围岩的较大变形，支护效果较好。

5 结论

1)王坡煤业3308工作面应力场为σH>σv>σh，应力场为最大水平主应力占主导作用的高应力值区域，最大水平主应力方向为NW33.6°～36.6°。巷道支护范围内煤岩体具有抗压强度低，煤体内次生裂隙发育，顶板泥岩中伊蒙混层、高岭石等黏土矿物含量高等特点；巷道围岩属松散破碎软岩，易风化且遇水膨胀软化。

2)复用巷道围岩变形具有持续时间长、全断面收缩变形量大、空间效应明显等特征，并伴随有支护体及其构件严重破坏等现象。复用巷道变形破坏的主要原因是在高原岩应力松散破碎围岩条件下复用巷道受工作面产生的高水平采动应力扰动影响，围岩承载力不足，围岩塑性破坏深度超过锚杆支护范围，围岩承载力进一步弱化，围岩失稳破坏进而产生大变形。

3)锚索具有锚固深度大、承载能力强、可施加高预应力的特点，能显著提高支护系统的强度与刚度，增强煤岩体的承载能力，因此能够获得比较理想的支护效果。高应力、高延伸率强力锚索全断面支护技术是大变形复用巷道的有效支护方式。

4)工业性试验表明：采用长、短锚索分层联合支护的方式可有效控制复用巷道围岩变形，采动影响期间巷道两帮最大移近量为140 mm，顶板下沉量最大为130 mm，与锚杆、索支护方式相比围岩变形量整体降低60%以上；锚索受力位于合理范围，且能趋于稳定，支护效果较好。