强采动影响复用巷道墩柱支护技术研究与应用

李 波，王 涛，李 明

(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)

我国大多数井工煤矿尤其东部矿区伴随有大量瓦斯，为了避免瓦斯积聚以致超限，一般工作面都采用多巷布置缓解瓦斯压力[1，2]。这样一来巷道之间煤柱留设成为重要难题，许多矿井为减少区段煤柱损失，通常将多巷中的外围巷道重复利用；另一方面，不少矿井在开采关系布置时，由于采用双巷掘进，为了避免采掘关系紧张、加快掘进效率，会在本工作面的巷道进行掘进时，提前将下个工作面靠近本工作面的回采巷道同时进行掘进，并在该工作面采完后进行维护。这两种情况均会造成复用巷道的出现，因此复用巷道在我国井工矿尤其东部矿区中十分常见。

复用巷道由于服务时间长，时刻处于动态复杂的应力环境中，矿压显现不同于一般条件下的回采巷道，具体表现为：矿压显现更加剧烈，在滞后工作面推进的后方围岩变形量急剧增加；围岩整体变形严重，普遍出现巷帮大范围收缩，收缩严重区域巷帮移近量达2～3 m，甚至使巷道闭合；底板碎胀程度高，底鼓十分严重，通常可达1～2 m。巷道空间小，围岩状况差，安全程度低，需要花费大量成本进行复用巷道的整修，严重时甚至直接报废，是不少煤矿生产过程的一大难题，给安全高效生产带来极大困扰。

基于这种情况，不少专家学者和现场研究人员对于复用巷道与强矿压巷道的矿压规律和围岩控制技术逐渐重视并开展研究[3-8]。在矿压规律方面，汪占领[9]对二次复用巷道的矿压规律进行实测，将矿压显现分为了工作面超前影响阶段、剧烈变形阶段、蠕变阶段三个阶段；秦海忠[10]将晋城寺河煤矿典型二次复用巷道的矿压阶段按影响区域划分为初始变形区、剧烈变形区、趋于稳定区和稳定区；高福全[11]等在现场实测的基础上总结了平朔井工一矿强烈动压巷道围岩变形规律。在围岩控制方面，康红普等[12，13]提出了全断面高预应力强力锚索支护技术，实现了对于受多次矿压影响的强动压巷道围岩的有效控制；陈宝元等[14]研究了桁架锚索联合支护在多次动压影响巷道的应用；郝志军等[15]应用了钢管混凝土支架对强动压巷道进行支护；此外，不少学者[16-18]对于复用巷道之间煤柱合理留设进行研究，这些研究成果极大促进了复用巷道围岩控制技术的发展。

尽管不少专家学者对复用巷道支护和矿压显现规律进行了诸多研究，但研究还不够全面，对复用巷道围岩变形破坏机理也没有深入研究；复用巷道支护技术也多是从传统的锚杆索支护方面进行优化，现场实际应用起来效果并不明显，针对复用巷道的围岩控制，现场急需操作性强、作用明显的支护方式。本研究从分析复用巷道的应力环境和围岩破坏机理出发，提出了一种应用强力柔模墩柱进行巷内补充支护的支护策略，分析了墩柱支护的原理与作用，并在王坡煤矿3306运输平巷进行柔模墩柱的设计与应用。研究成果可为类似工程提供参考，同时为二次复用巷道的围岩支护设计提供思路。

1 复用巷道围岩破坏机理

井工矿开采过程中，随着工作面的回采和巷道的掘进，原有的煤岩体完整结构被破坏，出现采掘空间，造成矿井原岩应力场的重新分布。就开采空间周围而言，主要变化体现在工作面超前区域形成超前支承压力区，工作面后方采空区由于覆岩破断、垮落和压实作用，随采不断稳定充填采空区，形成采后的小范围支承压力区，由于采空区矸石支撑，这部分应力数值相对较小；此外，在工作面侧方会形成侧向支承压力区，这部分应力对于下个工作面的采掘起着重要的影响。

复用巷道受上个工作面和本工作面两次动压影响，由于服务周期长，处于侧向支承压力区影响下的复用巷道势必会产生较严重的变形，因此巷道维护较为困难。侧向采动应力下复用巷道的布置及应力环境如图1所示。

图1 侧向采动应力下复用巷道的布置及应力环境

不同开采阶段复用巷道受侧向采动影响如图2所示。在上工作面开采时，煤柱侧的侧向支撑应力成似近态分布，向复用巷道方向依次分为：破裂区Ⅰ、塑性区Ⅱ、弹性区应力增高部分Ⅲ以及原岩应力区Ⅳ。在双巷掘进时，由于护巷煤柱的存在，复用巷道处于弹性区应力增高区域；本工作面开采时，上工作面由于开采已经相对稳定，对复用巷道作用的残余侧向支承应力数值相对较小，但仍有动压影响作用，此时对复用巷道围岩稳定起重要作用的为本工作面的侧向压力支承应力，此时复用巷道处于侧向支承应力造成的破裂区与塑性区内。

图2 复用巷道受侧向应力影响

在整个开采过程中，侧向支承应力以给定变形方式作用于采空区侧煤体，在边缘地带形成具有一定宽度的破碎区和塑性区；工作面超前形成高支承压力影响区，致使围岩发生剧烈变形。顶板泥岩风化破碎，原生裂隙扩展，岩层结构面发生剪切滑动破坏，浅部围岩发生塑性破坏，自稳能力减弱，顶板产生网包和支护体破断。在风化作用下顶板裂隙持续扩展，直接顶板泥岩发生碎胀变形，浅部承载结构消失，锚杆基本丧失承载作用，锚索由早期加固支护构件被动起到悬吊作用。失稳岩层仅靠支护体悬吊于上方岩层，水平应力引起的水平剪切变形引发支护体剪切破坏。离层围岩继续发生塑性破坏，垂向裂隙非常发育，支护体难以悬吊破碎围岩重量，支护系统彻底失效，离层的围岩在自重作用下将会发生冒落，复用巷道围岩破坏运移过程如图3所示。

图3 复用巷道围岩运移过程

2 柔模墩柱辅助支护技术与原理

上区段工作面回采后，沿采空区边缘至复用巷道之间的煤柱受侧向采动应力影响，处于塑性区及弹性区应力升高部分，一方面煤体完整度受到破坏，另一方面处于高应力之下，使得煤柱的承载能力下降。回采引起的侧向顶板破断，复用巷道处于岩层断裂的影响范围之内，需要承受断裂部分岩层的高载荷作用，这种情况下区段煤柱给分担的支撑力有限，复用巷道围岩破坏严重，普通初始支护难以维持巷道稳定。因此，复用巷道在上工作面开采过程中内采取外部支护措施尤为必要。

复用巷道内采用新型高强的柔模墩柱进行外部支护，可在煤柱塑性破坏后分担区段煤柱承担的顶板载荷，缓解巷道的动压现象，维持巷道围岩的相对稳定。巷道内增加墩柱支护后，与原始锚杆索支护构件共同提供复用巷道内的均布载荷支撑力qz，与区段煤柱极限平衡区段的支撑力q1以及弹性区段支撑力q2共同支撑该范围内顶板载荷，复用巷道板破断特征与受力分析如图4所示。由于上覆承岩层载荷、煤柱的承载能力受具体地质条件影响，为不可变因素。复用巷道的围岩稳定分析主要是分析煤柱稳定性、并从加强巷内支护方面考虑。

图4 复用巷道板破断特征与受力分析

2.1 煤柱稳定性

侧向区段煤柱中的应力(主要分析垂直应力)为工作面开采造成顶板破断带来的开采附加应力和原岩应力之和，其表达式为[19]：

σy(t)=σz(t)+γh(1)

式中，σy(t)为侧向煤体中垂直应力，MPa；σz(t)为顶板破断在侧向煤体中引起的开采附加应力，MPa；γ为巷道顶板容重，kN/m3；h为巷道采深，m。

其中煤柱的稳定性和支撑力主要分为两部分，极限平衡区内煤体若完全进入塑性屈服状态时，承载能力下降严重，若区段煤柱留设过短，则复用巷道需要承载的顶板载荷很大，巷内支护不足则有发生冒顶的危险。将侧向区段煤柱作为整体进行分析，当煤体的抗压强度小于垂直应力，煤体边缘将发生剪切破坏，根据莫尔-库伦准则，整体设为塑性区，煤体设为均质连续体，则靠近采空区的极限平衡区的力学模型如图5所示。

图5 区段煤柱极限平衡区段力学模型

根据边界条件，可求得极限平衡区的宽度为[20]：

式中，L0为极限平衡区宽度，m；M为煤层开采厚度，m；λ为侧压系数；K为应力集中系数；γ为巷道顶板容重；h为巷道采深，m；Px为帮部支护力，N；CS为煤体残余黏聚力，N；φs为帮部残余内摩擦角，(°)。

结合煤的残余强度与单轴抗压强度的关系，可得出侧向煤体极限平衡区内支承压力计算式：

式中，q1为极限平衡区煤柱的支承压力，MPa；σc为煤体的抗压强度，MPa；h为巷道采深，m；fin为煤层与顶底板层面间的摩擦系数；φin为煤层与顶底板层面间的内摩擦角，(°)。

2.2 巷内柔模墩柱支护强度

设复用巷道内增加柔模墩柱支护的强度(单个)为[qz]，与原始锚杆索支护构件共同提供空巷内的均布载荷支撑力qz，根据载荷适应性可知，墩柱支撑强度[qz]需满足式：

n[qz]+q0L2+q2L1+q1L0+F-γZ∑hi(L0+L1+L2)-γKhkL=0(4)

式中，n为单位长度内截面积内墩柱数量，根；[qz]为柔模墩柱支护的强度，kN；q0为复用巷道初始支护强度，kN；q1为煤柱极限平衡区支撑强度，kN；q2为煤柱弹性段支撑强度，kN；F为采空区矸石对关键岩块2的支撑力，kN；γZ，γk分别为直接顶、基本顶的容重，kN/m3；∑hi为直接顶厚度，m；hk为关键岩块厚度，m；L为关键岩块2的跨度，m；L0为极限平衡区宽度，m；L1为煤柱弹性段宽度，m；L2为复用巷道宽度，m。

3 工程应用

3.1 工程背景

王坡煤矿主采3#煤层，采用盘区式布置，间隔跳跃开采，因此部分工作面形成孤岛工作面，矿压较大，对支护和回采均造成不同程度的影响。为避免后期再出现孤岛工作面，现尝试顺序开采。以3308工作面为例，由于采用双巷布置，为了避免采掘紧张，提前施工了3306运输平巷，与3308回风平巷间留设煤柱40 m，巷道布置如图6所示。此巷道在3308工作面回采后作为复用留巷为3306工作面继续服务。因此3306运输平巷要经受两次动压影响，巷道维护较为困难。

图6 3308工作面周围巷道布置

由于直接顶板岩层间夹杂软弱结构面，层间结构面位置易发生剪切破坏和离层扩容变形。长时间风化作用下，泥岩破碎块状化形成大面积网兜，巷道围岩整体性和完整性变差，宏观变形表现为顶板弯曲下沉、浅部离层。巷道变形特征表现为顶板形成大的“网包”、顶板下沉、围岩离层、锚索破断、顶板冒落。根据以往经验，王坡煤矿对复用巷道顶板主要采用木垛进行辅助支护，如图7所示，由于这种支护属于被动支护，效果并不理想，顶底板移近量大，部分区域断面几乎闭合。

图7 木垛支护围岩变形情况

根据煤柱护巷围岩失稳破坏机理提出利用强力柔模墩柱进行巷道支护的总体思路，利用墩柱进行巷内加强支护，减小煤柱塑性区增大导致的巷道实际跨度增加，增大巷内支护强度，提高巷道抵抗采动应力影响导致变形的能力。

3.2 柔模墩柱布置方案

3.2.1 充填墩柱基坑设计

由于3306运输巷巷高3.4 m，直接底为煤，强度较低，在矿山压力的作用下易产生底鼓，影响巷旁柱墙支护的稳定性，且巷旁支护必须浇筑在实底上，结合现场底鼓情况，设计底板清理宽度为1000 mm，高度为800 mm。

3.2.2 巷旁充填材料选择

充填料配合比的设计以确保墩柱强度、提高早期强度为原则。根据现场情况，确定3306运输巷柔模内充填料选用高水速凝材料，由A料、B料双料特种水泥混合组成，实际水固比(质量比)2∶1。墩柱整体由约束套管、柔模袋、高水材料组成，将湿料泵注于约束套管内，在套管的约束下形成三向受力的复合材料结构体，能抑制高水材料压缩过程中裂隙的产生及扩展。

3.2.3 墩柱支护体结构设计

考虑墩柱支护体支护强度的影响因素，主要为材料强度、承载环境和尺寸效应三方面。经验证施工采用的水灰比2∶1的高水充填材料能够满足强度需求；由于墩柱的抗压能力明显大于抗剪能力，且强度随着施加围压的增加逐渐增大，考虑承载垂直应力可将承载能力发挥至极限，设计墩柱垂直安装，同时安装位置偏向围压较大的上区段采空区的一侧。此外，墩柱的承载能力和强度具有明显的尺寸效应，刘宝琛院士提出一种圆柱试件基于抗压强度的尺寸效应指数函数形式的经验公式[21]：

σc=σm+αce(-βcD)(5)

式中，σc为受力直径为D的岩石试件的单轴抗压强度，MPa；σm为岩体强度，MPa；αc、βc为取决于岩石性质及其中天然缺陷状态的待定参数。

根据公式(5)，当高径比为2时，试件抗压强度区域极限稳定值，但多数情况下，墩柱高径比很难控制在2左右，一般达到3.5～5.5。

通过模拟得知，墩柱具备一定的塑性变形能力，在变形初期，基本不影响承载，外观无明显变化。墩柱承受的极限应变超过其承载能力时，顶部先发生塑性破坏，进而向下扩展。基于此，提出局部加强的思路，在墩柱顶部和底部分别增加钢筋结构进行具备加强，如图8所示。

图8 柔模墩柱顶底部箍筋加固思路

无钢筋结构变形首先表现为顶部应力集中区的破坏。而采用箍筋局部加强后的墩柱在相同应力条件下墩柱顶部应力集中区未出现破坏，整体结构完好，说明采取的局部加强措施，有效提高了墩柱承载能力。图8中出现的倾斜现象与模型设置有关，实际应用时，墩柱套管模具与巷道顶板紧密固定，破坏前不会出现倾倒现象。

基于上述分析，对墩柱进行结构设计优化，为了在现场条件下最大能力地发挥墩柱承载能力和适应性，形成新型强力墩柱模型。最终确定的巷内加强支护采用直径∅800 mm、高度4200 mm的高水材料柔模充填式墩柱，墩柱靠近煤柱侧交叉布置，墩柱间中心距2200 mm，靠近煤柱侧帮第一排墩柱中心距巷帮距离为1200 mm，靠近煤柱侧帮第二排墩柱中心距巷帮距离为2500 mm，墩柱布置如图9所示。根据地面1∶1等比例模型强度试验和现场试验可知，高水充填材料水灰比2∶1条件下1 d抗压强度在5 MPa以上，所设计的直径800 mm的强力支柱抗压强度也将近5 MPa。

图9 强力柔模墩柱布置(mm)

3.2.4 柔模墩柱施工工艺

柔模墩柱施工工艺：材料运输、维护顶板、清理底板→固定钢筋笼和箍筋→人工立模→搅拌制浆→接管输送→注浆→拔管清洗泵、管路，具体施工流程如图10所示，现场施工效果如图11所示。

图10 柔模墩柱施工流程

图11 现场施工效果

4 工程应用效果分析

4.1 支护效果

为了验证强力柔模墩柱对巷道的支护效果，在3308工作面回采过程中对巷道表面位移进行监测，分析巷道围岩变形及基本顶控制效果。由于墩柱支护试验段位于距巷口1100 m所在区域，选取该处的测站进行分析，围岩变形情况如图12所示。

图12 典型测点随采围岩变形情况

由图12可知，3306运输巷(复用巷道)围岩移近量表现出以下特点：①超前工作面巷道围岩变形量小，工作面开采对复用巷道的影响范围约超前200 m；②复用巷道滞后50 m范围内围岩变形量增长速度快，主要由于采动引起侧向顶板破断导致的来压，此段应为复用巷道进行维护和重点支护的区域；③滞后工作面50 m后围岩又趋为稳定、围岩变形量增长缓慢，主要由于顶板垮落充填采空区，应力环境相对稳定；④虽然柔模墩柱有效缓解和顶板和两帮变形严重问题，但由于采动应力的影响，复用巷道的底鼓情况仍比较严重，下一步应采取针对措施进行维护。

采取强力墩柱支护前后围岩变形情况如图13所示。通过对比可知：随着工作面的继续推进，采用柔模强力墩柱能够有效缓解复用巷道围岩变形严重的问题；即使在动压影响最为严重的区域，仍能使顶板变形量维持低水平，并逐渐趋于稳定。

图13 采取强力墩柱支护前后围岩变形情况

4.2 经济效益

王坡煤矿以往对复用巷道顶板主要采用木垛进行辅助支护，打设一个木垛约需成本5688元，而采用该柔模墩柱的支护方法，每处只需各项成本共计3937元，节省支护成本1751元。在3306运输巷已运用的区域，已累计节省4万余元。若推广至整条复用巷道，可节省支护成本117万余元，在提升支护质量的同时，大大降低了支护成本。

5 结 论

1)分析了侧向采动应力对双巷掘进复用巷道的影响作用，揭示了复用巷道围岩运移的变形规律以及破坏机理，提出了强力柔模墩柱支护的支护策略，建立了复用巷道巷内墩柱支护的力学模型，理论计算了墩柱所需满足的支护力载荷要求。

2)以王坡煤矿3306运输巷的支护问题为工程背景，应用了柔模墩柱支护技术，分析了墩柱支护的各项参数，确定了靠近煤柱侧交叉布置墩柱的应用方案。

3)巷道围岩位移监测表明墩柱支护段围岩变形量明显下降，强力墩柱能够有效缓解复用巷道变形严重问题，维护围岩的稳定性；通过与原木垛支护进行对比表明墩柱支护能够在提高支护效果的同时极大地节省支护成本。