多次动压影响煤巷围岩变形规律及支护技术

赵国旺

(铜川矿务局有限公司冶坪分公司， 陕西 铜川市 727102)

0 引言

受采动影响的回采巷道，在开挖的过程中，周边应力场已经存在扰动，加上工作面回采过程中的支承压力，会导致巷道产生较大变形。基于地质以及开采条件的差异，会导致动压巷道出现较大的变形，但是由于工作面回采期间产生的超前支承压力和侧向支承压力，以及采空区上覆岩层断裂垮落等动压影响，巷道围岩条件、应力状态变得越加复杂，从而导致巷道底鼓等围岩大变形现象[1-5]。随着开采深度的不断增加，煤层所处的赋存环境也越加复杂。深部和浅部在赋存环境上的差别是所谓的“三高”即高地应力、高地温和高孔隙水压[6-8]。深部巷道常常出现地应力、静水压力和涌水量增大的现象，导致巷道围岩力学环境日趋复杂[9-10]，特别是受到采空区上覆岩层回转断裂产生的强应力扰动，动压巷道底鼓问题特别严重，我国动压巷道普遍存在严重的底鼓现象，最大底鼓量达到300～1200 mm。深部高应力动压巷道呈现出严重底鼓等围岩大变形现象，不仅影响运输，还导致巷道维护困难，返修率高，维护与返修费用成倍增加，现已严重影响到矿井的正常安全生产。

1 多次动压下巷道围岩应力及变形演化规律研究

冶坪煤矿一采区地质说明书及煤层揭露情况确定1308工作面走向长度，1308工作面回风顺槽长度为3327 m（含1307回风顺槽一段1055 m），运输顺槽长度为 3347 m（含 1307运输顺槽一段1075 m），平均可采走向长度2106 m，倾斜长180 m。

利用FLAC3D数值软件，分析1308回风巷在整个使用期间，受到自身巷道掘进、相邻 1308工作面回采和 8101工作面回采多种采动的影响，导致巷道围岩应力变化特征，从而为将来巷道的掘进提供合理的支护形式与设计参数。

1.1 1308回风巷掘进期间巷道围岩受力变形特征

如图1所示，通过测点钻孔观测结果分析可以得到，顶板以上0～3.4 m为砂质泥岩，岩层呈灰黑色，泥砂质结构，其中0.5 m处有两条明显的横向裂隙，0.5～3.4 m岩层较为完整。3.4～4.5 m为煤层，黑色，半暗半亮型煤，中间4.1 m处为泥岩夹矸，该段煤层中有少量裂隙。4.5～11.8 m为细砂岩，岩层呈深灰色、灰白色，坚硬致密，细砂粒状结构，其中4.8 m处有明显的横向裂隙，4.9～7.9 m岩层比较完整，8.0 m处为煤线，9.5 m处有微裂隙，9.7～11.8 m岩层完整，11.6 m为夹层。11.8～13.5 m为中粒砂岩，呈灰白色，该段岩层较为完整。13.5～16.8 m为砂质泥岩，岩层呈灰黑色，泥质胶结，该段岩层比较完整，其中14.0～15.2 m为复合性岩层。16.8～19.2 m为细砂岩，岩层呈深灰色，钙质胶结，该段岩层比较完整。

图1 测点顶板岩层结构观测结果

如图2所示，煤柱上的垂直应力分布类似双峰分布特征，整体来看垂直应力变化较小，说明1308回风巷在巷道掘进期间由于掘进期间巷道扰动较小，巷道围岩应力场的变化影响较小。

图2 1308回风巷掘进期间煤柱垂直应力分布状态

1.2 临近1308工作面回采阶段巷道围岩受力变形特征

图3为临近1308工作面回采之后，1308回风巷周边巷道围岩及煤柱内部应力分布情况。从图3可以看出，当工作面回采后，煤柱内部、巷道围岩及工作面附近煤岩体应力和应力状态均发生很大的变化。当煤柱尺寸为25 m时，当工作面回采之后，煤柱上形成较大的垂直应力集中，对应 1308回风巷侧垂直应力峰值达到21.33 MPa，说明由于此时煤柱尺寸较小，导致工作面回采后侧向支撑压力集中程度有所变化，不利于巷道后期稳定和维护。

图3 工作面回采期间煤柱垂直应力分布状态

如图3所示，垂直应力的双峰分布状态发生改变，此时煤柱应力的峰值为43.9 MPa，而1308回风巷垂直应力的峰值为 23 MPa，相比，说明此时1308工作面回采对1308回风巷造成的动压影响十分明显。

图4为在1308工作面回采后，1308回风巷受1308工作面回采动压影响后巷道垂直方向巷道变形分布情况。当临近的 1308工作面回采后，1308回风巷在工作面回采动压影响下，巷道顶板相对比较掘进阶段产生较大的变形，此时巷道顶板最大变形量从掘进期间的59.6 mm增大至166.9 mm，变形量较回采之前增大了约2.8倍。

图4 1308回风巷巷道变形分布情况

将以上计算结果进行综合分析，形成不同开采条件下 1308回风巷围岩垂直应力和顶板下沉量对比示意图，如图5和图6所示。

图5 不同开采阶段1308回风巷围岩峰值垂直应力对比

图6 不同开采阶段1308回风巷顶板下沉量对比

通过图5和图6可以看出，1308回风巷在临近工作面回采之后巷道周边垂直应力相比较掘进期间增加170.1%，此时巷道顶板最大下沉量大幅度增加，在原有掘进期间约增加194.5%，说明此时临近的 1308工作面回采造成动压影响十分明显，造成1308回风巷巷道严重变形。

对比之下 1308回风巷掘进之后巷道周边垂直应力相比较掘进期间增加5.6%，此时巷道顶板最大下沉量略有增加，在原有掘进期间增加约5.3%，说明此时临近的1308工作面回采造成影响较小，1308回风巷巷道变形不大。因此巷道支护设计需要考虑上述不同的巷道应力环境，需要针对 1308回风巷位于1308工作面回采的动压影响地段（0～1900 m）范围内，以及1308回风巷不受1308工作面回采影响（1900～2500 m）范围内两种情况进行差异化的支护设计，满足巷道支护需要。

2 优化支护

2.1 支护方式

本章在对冶坪矿巷道地质力学特性、巷道在服务期间全过程的变形破坏规律、不同支护强度巷道变形规律等研究基础上，采用短锚杆和长锚索协同支护技术对 1308回风巷道 0～1900 m 动压段和1900～2500 m非动压段进行分段支护，包括支护原则、依据、材料、机具等。

2.2 不同锚索长度支护效果对比

图7是锚索预应力为200 kN下，不同锚索长度的预应力场分布情况。从图7可看出：

图7 相同预应力条件下不同锚索长度的应力分布

（1）随着锚索长度增加，预应力场的高度逐渐增加；

（2）随着锚索长度增加，锚索长度中部及以上部分的压应力逐步减小；

（3）随着锚索长度增加，两锚索之间中部围岩的压应力逐步减小。

因此，可得出以下结论：当预应力一定时，短锚索的主动支护作用优于长锚索；通过提高锚索的预应力，可适当缩短锚索长度。针对冶坪矿 1308回风巷地质生产条件，基于高预应力一次支护理论，采用高预应力锚杆与短锚索协同支护技术对1308回风巷道0～1900 m动压段和1900～2500 m非动压段进行分段支护，对于特殊地质构造段、富水段巷道应加强支护。

2.3 切顶卸压技术原理与应用结果

聚能爆破切顶卸压技术是解决传统沿空掘巷开采方式引起的围岩大变形问题的重要手段之一[11]，该技术原理是沿巷道走向实施超前工作面的预裂爆破，爆破后各炮孔之间形成一条连续的结构面切断了巷道顶板与采空区顶板之间的应力传递路径，减少了相邻工作面回采过程中上覆岩层运动对巷道围岩应力的扰动，从而减少巷道围岩变形。工作面回采后采空区顶板在上覆岩层重力和矿山压力作用下发生垮落，减小了悬臂梁的长度，使得顶板作用在煤壁上的压力减少，缓解了煤柱的应力集中，实现了卸压效果并减少了煤爆现象。垮落后的碎胀矸石对顶板起到很好的支撑作用，减少了基本顶对巷道顶板的压力，避免了巷道顶板随基本顶的回转变形而发生明显变形位移，同时减少了从巷道顶板传递到底板的压力。

通过十字布点方法监测巷道围岩变形数据，对比分析未实施聚能爆破切顶卸压技术和实施切顶卸压技术后对巷道围岩变形控制效果。监测内容主要包括顶板下沉量、底鼓量和两帮移进量。未切顶时的围岩变形监测数据如图8所示。从图中可知巷道围岩在超前工作面100 m处开始产生变形，在滞后工作面0～200 m范围内围岩产生剧烈变形，滞后工作面200 m后变形趋于缓和，最终在滞后工作面450 m处不再发生明显变化，围岩最终保持稳定。通过围岩监测数据可知巷道两帮最大位移量为 630 mm，底鼓量为415 mm，顶板下沉量为247 mm。

图8 未切顶巷道围岩变形情况

实施聚能爆破后的巷道围岩变形情况如图9所示。从图9可知，巷道围岩在超前工作面50 m处开始产生变形，在滞后工作面0～100 m范围内围岩产生剧烈变形，滞后工作面100 m后巷道围岩变形趋于缓和。其中巷道两帮最大位移量为435 mm，最大底鼓量为268 mm，顶板最大下沉量为175 mm。通过对比未切顶时的围岩变形量可知切顶之后巷道围岩变形得到了有效控制，其中两帮最大移进量减小了195 mm，最大底鼓量减小了147 mm，顶板下沉量减小了72 mm。

图9 爆破切顶段围岩变形情况

3 结论

高预应力锚杆与短锚索协同支护技术能显著控制巷道浅部围岩早期的、结构面滑移和离层等变形，与强力的短锚索深部支护协同作用，强化浅部围岩支护结构，构成高强深浅围岩承载体。

（1）当临近的1308工作面回采后，1308回风巷在工作面的回采动压影响作用下，煤柱应力的峰值为43.9 MPa，而1308回风巷垂直应力的峰值为23 MPa，巷道顶板最大变形量从掘进期间的 59.6 mm增大至166.9 mm，变形量较回采之前增大了约2.8倍，在此条件下巷道受工作面回采的动压影响较明显，不利于巷道后期稳定和维护。

（2）数值计算结果表明，巷道支护设计需要考虑上述不同的巷道应力环境，针对 1308回风巷位于1308工作面回采的动压影响地段（0～1900 m）范围内，以及1308回风巷不受1308工作面回采影响（1900～2500 m）范围内两种情况进行差异化的支护设计，满足巷道支护需要。

（3）分析现场监测数据结果证明，对顶板进行预裂爆破切顶后，工作面周期来压趋于平稳，来压值减小，来压步距增大将近一倍；巷道底鼓等围岩变形得到有效控制，现场应用效果良好。