邢东矿沿空掘巷非对称变形支护技术研究与应用

靳学乾

（冀中能源股份有限公司 邢东矿，河北 邢台054001）

1 概 况

沿空掘巷不对称矿压显现特征与其外部工程岩体环境、内部岩性结构、采掘活动过程中应力分布转移、支护模式等有着密切的关系。针对沿空巷道围岩变形破坏机理和稳定性控制问题，国内外学者从采矿工程、矿山地质及宏观力学等学科的不同视角，围绕沿空巷道覆岩“大、小结构”稳定控制核心主题，对沿空巷道矿压显现特征及其主控因素、顶板破坏失稳及其力学机制、围岩控制理论与关键技术等方面进行了有益的探索[1-6]。但深部巷道围岩收敛变形量严重，且往往表现出很明显的非对称特征，采用常规的锚网索支护技术难以保证巷道的稳定，使用中需要多次维修，对煤矿的正常生产造成了一定的影响。

2 11214运输巷沿空掘巷非对称性变形特征

2.1 11214运输巷顶底板概况

邢东矿11214工作面所采煤层为2号煤层，煤层平均厚度4.2 m。工作面标高-720—-970 m，地面标高为+53.8—+59.3 m。11214运输巷紧邻11212、2223采空区。全长1 335 m，平均坡度12°。煤层顶底板岩性以粉砂岩、细砂岩为主，见表1。11214运输巷采用采用EBZ-160型掘进机作业，下山掘进。

表1 11214运输巷顶底板岩性Table 1 Lithology of roof and floor of 11214 transportation roadway

2.2 原支护方案

11214运输巷为矩形巷道，设计断面4 500 mm×3 500 mm（高×宽）。顶锚杆采用φ22 mm×2 400 mm螺纹钢超强锚杆，每孔使用两卷Z2360树脂锚固剂锚固，配合穹形钢托盘、φ12 mm钢筋梁及菱形金属网，锚杆间排距800 mm×800 mm；顶板采用φ21.8 mm×8 500 mm 19股钢绞线锚索加强支护，每孔使用3卷Z2360树脂锚固剂锚固，配合2.6 m、14号槽钢、木垫板、钢托盘等，五花眼布置，间排距1 600 mm×1 400 mm。11214运输巷支护方案如图1所示。

图1 11214运输巷支护方案Fig.1 Support scheme of 11214 transport roadway

两帮支护采用φ20 mm×2 400 mm全螺纹锚杆，每孔使用两卷Z2360树脂锚固剂锚固，配合使用穹形钢托盘、φ12 mm钢筋梁及菱形金属网，锚杆间排距800 mm×800 mm；两帮距顶板1.5、3.0 m处打设两趟顺巷锚索加强支护，锚索采用φ15.24 mm×45 00 mm 7股钢绞线锚索，每孔使用3卷Z2360树脂锚固剂锚固，间距1 600 mm，配合200 mm×200 mm钢托盘和φ12 mm钢筋梁连锁。

2.3 巷道围岩变形特征分析

为全面揭示巷道的变形特征，运用十字测点交叉法在11214运输巷进行围岩变形监测。在巷道内每隔100 m布置1个测站，共计5个。90 d后巷道趋于稳定，监测结果整理如下。

随着深度的增加，巷道顶底板/两帮变形量均趋于增大。巷道底鼓、帮鼓严重，两帮变形量达到600 mm左右，底鼓400 mm左右。顶板下沉量控制在40 mm上下。严重的底鼓、帮鼓给物料运输、皮带维护、通风等增加了困难。

左帮变形量平均达到200 mm，右帮则达到400 mm。右帮变形量远大于左帮。11212工作面的开采、11214运输巷的开掘打破了原有的应力平衡，应力集中向右帮方向偏移。顶锚杆、顶锚索组成的顶板支护系统未能有效控制右帮侧顶板，使得应力向右帮传递，造成右帮的严重破坏。为更好控制右帮，需要将顶锚索向右侧偏移或增加顶锚索数量。

左右两帮的高、中、低三个部位产生不同的变形。高部变形平均为438 mm，中部次之，低部最小，最大分别达到390、372 mm。巷道右上隅角的应力集中，产生较大拉应力，而煤岩体的抗拉伸能力远低于抗剪切破坏能力，故发生塑性剪切破坏，变形严重。原支护下的巷道变形如图2所示。

图2 原支护下的巷道变形Fig.2 Roadway deformation under original support

2.4 巷道顶板岩体性质评价

顶板岩样物理力学实验结果汇总表见表2，根据我国工程岩体分级标准（GB50217-94），结合实验室测试的煤岩力学参数，对邢东矿11214顶板岩体进行分类。

表2 顶板岩样物理力学性质Table 2 Physical and mechanical properties of roof rock sample

式中：BQ为岩体质量指标；RC为岩体单轴饱和抗压强度的兆帕数值；Kv为岩体完整性指数值。

根据采集顶板岩样实验室物理力学性质测试结果进行计算，邢东矿11214顶板细粒砂岩的质量分级见表3。

表3 顶板岩体基本质量分级Table 3 Basic quality classification of roof rock mass

由上表可知，11214工作面顶板细粒砂岩属于坚硬岩，岩体较破碎，Ⅲ类围岩。11216工作面运料巷为沿空掘巷，由于顶板岩体坚硬，小煤柱护巷条件下顶板倾向破断线向采空区方向转移，悬顶长度加大，易造成顶板压力陡增、矿压显现剧烈。

3 非对称支护机理

由于11214运输巷位于相邻工作面回采形成的侧向支承压力峰后单调递减区，巷道在未支护条件下，顶板弯矩和挠度如图所示[7-10]。从图中可以明显看出，弯矩和挠度呈显著非对称分布，且弯矩和挠度的“重心”位于最大值和煤柱帮之间，该区域顶板极易破碎，完整性差。基于此，11214运输巷拟采用非对称“多锚索-钢筋组合圈梁-槽钢”的支护形式，且槽钢梁位于弯矩和挠度的“重心”位置。

巷道采用不对称布置的锚索桁架支护，并施加高预应力后，可做如下假设：钢筋梯子梁刚度较小，将其视为柔性的；槽钢梁的刚度较大，将其对顶板的支护力视为均布的；忽略锚固体质量对结构体的影响。锚索桁架不对称支护机理力学分析如图3所示。

图3 锚索桁架不对称控顶机理力学分析Fig.3 Mechanical analysis of asymmetric roof control mechanism of cable truss

根据锚索桁架不对称支护机理分析，建立锚索桁架不对称支护力学模型，如图4所示。

图4 锚索桁架不对称支护力学模型Fig.4 Mechanical model of asymmetric support of cable truss

根据图4锚索桁架不对称支护力学模型，可列平衡方程：

对O点取矩，可列弯矩平衡方程：

式中：ΔR1为采用锚索桁架支护后，实体煤帮支撑力减小量，kN；ΔR2为采用锚索桁架支护后，煤柱帮支撑力减小量，kN；F为锚索预应力，kN；p为槽钢梁对顶板的支护强度，kN/m；s为实体煤帮侧锚索坐标，m；l为槽钢梁长度，m；t为槽钢梁与煤柱帮间距，m。

联系上述公式可得：

采用“多锚索-钢筋组合圈梁-槽钢”非对称支护后，巷道顶板弯矩减小量计算如下：

根据邢东矿相关地质生产参数，可得出沿空煤巷采用“多锚索-钢筋组合圈梁-槽钢”不对称支护后的顶板弯矩减小量分布图，如图5所示。

图5 锚索桁架不对称支护顶板弯矩Fig.5 Bending moment diagram of unsymmetrical supporting roof with cable truss

从图5中可以看出，采用“多锚索-钢筋组合圈梁-槽钢”不对称支护后顶板弯矩减小最大区域为煤柱帮附近区域，与未支护条件下顶板弯矩最大区域基本吻合，也是槽钢梁支护区域，且槽钢上开长条孔，即使巷道顶板发生水平移动也不影响槽钢梁支护区域顶板的垂直受力，有效控制了巷道顶板的不对称下沉和水平移动问题。

4 支护设计优化

4.1 支护方案

关键部位加强支护。顶锚索由两趟改为三趟，并向右帮方向偏移，距右帮分别为750、2 100、3 200 mm。同时，考虑的巷帮高、中、低三部位的不同变形，帮锚索向顶板方向偏移，改为距顶1.1、2.2 m打设。其他支护参数不变。11216运输巷优化施工方案如图6所示。

图6 11216运输巷优化施工方案Fig.6 Optimized construction scheme of 11216 transport lane

4.2 应用结果分析

在运输巷使用优化施工方案。4个月后巷道基本稳定。顶底板移近量减小；两帮变形量、均大幅降低且趋于平衡；巷帮上隅角变形突出的问题得到改善，上下变形基本趋于一致。优化后的支护方案，更好地控制了巷道围岩变形。

5 结 论

（1）邢东矿大采深工作面沿空掘巷的巷道变形具有明显的非对称性，右帮上隅角变形最为严重。巷道右帮变形明显大于左帮。

（2）“多锚索-钢筋组合圈梁-槽钢”不对称支护减少了顶板浅部岩层的垂直受力，可有效控制巷道顶板的不对称下沉和水平移动问题。

（3）不对称支护在11216运输巷的应用表明，巷道表面位移小，掘进后4个月巷道变形稳定，对巷道的控制效果好，可为类似深部沿空掘巷的巷道支护提供参考。