褶曲构造影响下采区巷道围岩变形特征及控制技术研究

崔 林 张广杰

（1.山西煤炭运销集团大通煤业有限公司，山西 高平 048403；2.河南理工大学河南理工产业技术研究院，河南 焦作 454003）

大通煤矿304 采区运输巷在褶曲构造带内，因褶曲带构造应力大而使巷道围岩完整性差，在掘巷时围岩变形大，顶板部分区域发生过顶板下沉现象。由于该巷与邻近工作面推进方向平行布置，将受回采动压持续影响。为保证巷道安全可靠，通过研究褶曲构造力学特性，提出合理的围岩控制对策[1-5]。

1 工程地质概况

大通煤矿开采3#煤层，煤厚平均4.6 m，倾角7°～11°，埋深约350 m。304 采区运输巷在褶曲构造影响带内（图1），水平应力大，掘巷时围岩破坏大且稳定性差。其东部为30304 运输顺槽，煤柱宽度25 m。该巷沿煤层顶板掘进，巷宽6 m，巷高达6～8 m，采用锚网索支护。

图1 采区巷道布置图

2 褶曲构造带巷道围岩变形特征

2.1 巷道布置的地质构造影响分析

基于地质力学理论，褶曲是受构造应力影响后形成的，304 采区运输巷走向大致与褶曲轴线平行且在向斜轴部，并与水平应力垂直，易造成围岩大变形。若巷道在褶曲轴部遇向斜时易底鼓，遇背斜时易冒顶，褶曲构造带巷道破坏概率较大。据对褶曲构造带巷道统计发现其顶底移近率达52.7%。304采区运输巷掘完后且邻近面未采时顶板曾发生下沉，围岩破碎且底鼓明显。因工作面开采方向及巷道布置已定，无法改变地质构造、围岩性质影响，只能增加支护强度和改善应力环境来维护巷道。

2.2 褶曲构造带巷道围岩应力环境分析

褶曲构造对冲击地压具有一定的控制效果，当采掘面在向斜轴部或翼部时易出现煤炮、冲击地压等灾害。基于褶曲构造力学机理，褶曲各处受力状态有5 个区（图2）：①区与⑤区（垂直为拉力、水平为压力）垂直拉力要比水平压力小，煤岩体受水平挤压后裂隙较多、强度低且完整性差；②区与④区（垂直为压力、水平为拉力）垂直压力要比水平拉力大，巷道冒顶；③区（水平、垂直均为压力）处巷道易出现动压灾害。

图2 褶曲构造力学机理

褶曲构造引起岩体水平应力增加，通常被区域或主应力场左右，褶曲形成时各处受力不均衡。正常应力区层状岩体一般不发生弯曲变形和应力集中，岩体环境可认为等压应力场；而褶曲轴面区应力集中严重，水平应力是平时的3 倍，引起应力场双向压力比达3 且主应力方向偏转。褶曲翼部还会受强剪应力影响，巷道在此处易出现围岩剪切破坏。因此304 采区运输巷围岩破坏厉害，维护困难。

2.3 褶曲带巷道围岩松动范围现场实测

为确定304 采区运输巷不同区域松动圈范围，在距开口位置110 m、420 m处分别布置1#、2#测站（图3），顶帮各打1 个孔，孔深3 m，孔径55 mm；帮部孔距底1.5 m，倾角下扎5°～10°，顶板孔垂直施工。

图3 超声波声速变化曲线

松动圈测试结果如图3，向斜区域1#测站顶板、帮部松动圈分别为2.3 m、1.8 m，正常区域2#测站顶板、帮部松动圈分别为2.0 m、1.4 m；304 采区运输巷帮部松动圈约1.6 m，顶部松动圈约2.15 m。通过对比发现，向斜区对巷道松动圈影响范围要比正常区的大；向斜区构造应力较大且围岩破坏范围较大，正常区则较小。

3 褶曲构造带巷道围岩控制对策[6-8]

3.1 褶曲构造带巷道围岩控制思路

研究表明，褶曲构造轴向范围应力集中严重，最大主应力偏离垂向时，巷道围岩塑性破坏最严重位置正处于顶底板、两帮处；塑性区是围岩压剪破坏形成的。因此提出提高支护强度和改善围岩应力环境来解决褶曲带巷道大变形问题，还应加大监测频度，实时掌握变形动态，适时对其进行加强支护，确保巷道安全可靠。

考虑矿井采掘衔接情况，未对304 采区运输巷进行单体柱或架棚支护。为确保该巷能满足正常服务，采用高延伸高支护阻力的加长锚杆、大直径长锚索控制围岩大变形。若采用端锚时其锚杆（索）自由端长度须大于冒顶隐患高度1.5～2.5 m。邻近30304 工作面回采后，该巷煤柱侧采空区顶板垮落剧烈活动将使其上方应力集中，而影响沿空巷道围岩稳定的主因是顶板上覆“承压结构”，因此采用定向预裂爆破技术切断沿空巷道煤柱侧与采空区上方关键岩层间的应力联系是确保围岩稳定的关键。

3.2 褶曲区域巷道围岩支护方案设计

304 采区运输巷与邻近工作面推进方向平行，会长时间受二次动压影响；且该巷自开口向里380 m 内在褶曲带内。结合施工情况，正常应力区、褶曲影响区支护方式不同。

基于塑性区围岩控制思路，褶曲影响区采用加长锚杆（索）、W 钢带及钢筋梯等联合支护。顶板长锚索Φ21.8 mm×8300 mm，间排距均为1 m；巷帮长锚杆Φ22 mm×3000 mm，间距1.1 m、排距1 m；钢筋梯将锚杆连成整体，W 型钢带将锚索连成整体；Φ5.6 mm 钢筋网搭接长度0.1 m，并用14#铅丝绑扎。

正常应力区采用锚网索支护，顶锚索Φ21.8 mm×6300 mm，顶帮锚杆Φ22 mm×2400 mm，顶锚杆（索）间距1 m、排距2 m，帮锚杆间距1.1 m、排距1 m；钢筋梯、钢带、网片与上述一致。

3.3 邻近工作面回采巷道切顶关键参数

根据巷道围岩控制思路，在30304 运输巷煤柱侧实施预裂爆破将采空区、煤柱上方顶板切断，以减弱采空区动压对巷道的影响。实践经验表明，切顶孔与煤柱帮的距离越小越好，考虑巷道设备及施工等因素，确定切顶孔位置300 mm；钻孔倾角还应考虑装药、爆破效果是否有利及爆破后上覆关键岩层悬露长度等因素，确定钻孔垂直顶板（α为90°）且向工作面后方倾斜（β为75°）；钻孔直径、间距偏小时对岩石破坏范围较小、成缝率低，确定钻孔直径65 mm、间距1 m；结合采区运输巷顶板岩层结构，切顶高度H0为煤层上覆5 m 厚的粉砂岩上边界，切顶孔深度H按以下经验公式计算：

其中：H0取16.2 m，α取75°，β取85°。代入上式可得H为17.8 m，结合实际钻孔深度取18 m。

合理的装药结构是确保安全、切顶效果及不产生瞎炮的关键，考虑巷道顶板条件不好，封孔长度取8 m 符合要求，采用囊袋式注浆封孔。炸药采用瞬发雷管引爆，雷管正向装药且孔内并联、孔间串联连接，每次爆破3～5 个孔。钻孔装药结构示意图如图4。

图4 钻孔装药结构图

4 应用效果分析

4.1 切顶效果分析

为检查爆破效果，利用窥视仪对切顶孔进行窥视，发现切顶孔8～18 m 范围内孔壁两侧有裂缝且对称发育，装药段成缝率达75%，切顶效果较好；孔内裂缝相互扩展贯通且对称、连续发育，有利于结构弱面形成。

4.2 褶曲带采区巷道控制效果分析

为验证工作面回采后304 采区运输巷控制效果，在正常区、褶曲影响区对围岩变形实施观测，观测结果如图5。

图5 巷道变形曲线

正常区测点巷道实体煤帮移近量42 mm，煤柱帮移近量61 mm，顶板下沉量28 mm，底鼓量150 mm；褶曲构造区测点巷道实体煤移近量42 mm，煤柱帮移近量124 mm，顶板下沉量56 mm，底鼓量375 mm；滞后工作面40～60 m 内围岩变形较大，随后围岩趋于稳定，不影响巷道正常使用。因此褶曲影响区巷道采取一定控制对策后虽有一定变形，但能满足安全生产要求。

5 结论

1）研究了褶曲构造带巷道围岩变形特征，因褶曲是受构造应力影响后形成的，当褶曲轴线平行于巷道走向时巷道将破坏严重。褶曲带巷道围岩应力环境呈非等压特征，向斜处所受构造应力较大，巷道应力集中明显，煤爆、冒顶发生率增加；其他部位受构造应力较小。

2）褶曲构造不同区域的巷道围岩破坏状态不同，304 采区运输巷向斜位置帮部松动圈1.8 m、顶板松动圈2.3 m，正常区域帮部松动圈1.4 m、顶板松动圈2 m。

3）采用加长锚杆（索）支护增强支护阻力以控制围岩变形。在邻近工作面实施爆破切顶以减弱回采动压影响。现场实施后，褶曲带巷道两帮移近量166 mm，顶底板移近量431 mm，底鼓较大但变形可控。说明所采取的综合控制技术可有效保障褶曲构造带巷道围岩稳定。