沖擊傾向性煤層沿空掘巷圍巖控制機(jī)理研究

郭念波 陳本華 桂 兵 張 洋

（兗州煤業(yè)股份有限公司濟(jì)寧三號(hào)煤礦，山東省濟(jì)寧市，272169）

沖擊傾向性煤層沿空掘巷圍巖控制機(jī)理研究

郭念波 陳本華 桂 兵 張 洋

（兗州煤業(yè)股份有限公司濟(jì)寧三號(hào)煤礦，山東省濟(jì)寧市，272169）

針對(duì)沖擊傾向性煤巖層條件下沿空掘巷的圍巖控制問題，從應(yīng)力控制和支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面入手，提出了沿空掘巷圍巖減沖控制原理。分析了沖擊傾向條件下沿空掘巷的破壞特征和影響因素，通過合理選取煤柱寬度降低圍巖應(yīng)力、人為制造軟弱夾層釋放圍巖應(yīng)力吸收沖擊能、采用高性能錨桿支護(hù)技術(shù)體系強(qiáng)化圍巖支護(hù)小結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等綜合措施，可實(shí)現(xiàn)對(duì)沖擊煤層沿空巷道的有效控制。

沖擊礦壓 沿空掘巷 圍巖強(qiáng)度弱化 圍巖控制

沖擊礦壓防治與沿空掘巷技術(shù)是煤礦開采領(lǐng)域兩個(gè)非常重要的研究課題。隨著煤炭進(jìn)入深部開采，受高地應(yīng)力影響，巷道沖擊傾向性明顯上升，且巷道變形量大，維護(hù)十分困難。現(xiàn)場(chǎng)開采實(shí)踐表明，沿空掘巷條件下，掘進(jìn)頭、實(shí)體煤幫側(cè)以及工作面超前影響范圍（尤其是超前15～30m）是沖擊礦壓發(fā)生的主要區(qū)域。因此，開展高地壓、沖擊傾向性煤巖層條件下沿空掘巷的圍巖控制機(jī)理研究成為當(dāng)前深井煤巷支護(hù)的重點(diǎn)研究方向之一。

結(jié)合濟(jì)寧三號(hào)煤礦163下05運(yùn)輸巷沿空掘巷（埋深約－645m）的設(shè)計(jì)與支護(hù)實(shí)踐，開展了沖擊傾向性煤層條件下沿空掘巷圍巖控制機(jī)理研究。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，通過合理選取煤柱寬度降低圍巖應(yīng)力、人為制造軟弱夾層釋放圍巖應(yīng)力吸收沖擊能、采用高性能錨桿支護(hù)技術(shù)體系強(qiáng)化圍巖支護(hù)小結(jié)構(gòu)強(qiáng)度三方面綜合手段，可實(shí)現(xiàn)對(duì)沖擊煤層沿空巷道的有效控制，巷道掘進(jìn)及工作面回采期間無沖擊事故發(fā)生，巷道變形滿足安全生產(chǎn)的要求。

1 工程背景

濟(jì)寧三號(hào)煤礦年生產(chǎn)能力達(dá)到500萬t／a。井底開采水平－518m。該礦3下煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，層狀構(gòu)造，煤層厚3.20～5.80m，平均厚4.8m，硬度系數(shù)1～2，為穩(wěn)定的厚煤層，煤（巖）層傾角0～－8°，3下煤層上距3上煤層為31.6m。

163下05運(yùn)輸巷沿3下煤層及底板掘進(jìn)，巷道斷面為矩形，凈寬4.2m、凈高3.0m。采用錨網(wǎng)支護(hù)，錨桿間排距為800mm×900mm。頂、幫部錨桿均為螺紋鋼樹脂錨桿。巷道平均埋深645m。臨近的163下04工作面已回采結(jié)束6個(gè)月，故對(duì)163下05運(yùn)輸巷掘進(jìn)影響不大，工作面上方煤層未開采。該區(qū)域煤巖層沖擊傾向性鑒定結(jié)果顯示3下煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性，煤層頂板具有弱沖擊傾向性。3下煤層頂?shù)装鍘r性特征見表1。

表1 3下煤層頂?shù)装鍘r性特征表

2 巷道破壞特征及影響因素

2.1 破壞特征

（1）沿空掘巷及回采期間，巷道累計(jì)變形量大，變形速度快，持續(xù)時(shí)間長，蠕變特性明顯。掘巷前，受采場(chǎng)側(cè)向支承壓力影響，其所處煤體已發(fā)生較大變形；掘巷時(shí)，由于巷道埋深大，基礎(chǔ)應(yīng)力水平高，加之側(cè)向支撐壓力和掘巷的超前支承壓力疊加影響，巷道圍壓應(yīng)力集中，產(chǎn)生持續(xù)、較大的變形；掘巷后，煤體側(cè)支承壓力向深部轉(zhuǎn)移，應(yīng)力重新分布并趨于穩(wěn)定，具有蠕變特性。

（2）誘沖因素多，巷道發(fā)生沖擊的傾向性加大。受高地應(yīng)力、側(cè)向支承壓力、超前支承壓力等因素影響，巷道掘進(jìn)面、實(shí)體煤幫側(cè)以及工作面前方煤巖體是發(fā)生沖擊礦壓的高危區(qū)域，給巷道維護(hù)及安全生產(chǎn)帶來很大困難。

（3）巷道斷面內(nèi)呈非均勻破壞。受深井高地壓及高水平應(yīng)力影響，巷道易先發(fā)生破壞；受水平壓應(yīng)力影響，巷道底臌嚴(yán)重。

2.2 影響因素

（1）內(nèi)部因素。包括煤厚、采深、地質(zhì)構(gòu)造、頂?shù)装鍘r性等。埋深的增加會(huì)導(dǎo)致沖擊礦壓發(fā)生的頻率和強(qiáng)度，地質(zhì)構(gòu)造會(huì)形成附加應(yīng)力場(chǎng)，導(dǎo)致煤巖體應(yīng)力集中加劇。

（2）外部因素。主要是開采的影響，包括超前支承壓力、側(cè)向支承壓力、窄煤柱的寬度、巷道支護(hù)形式及參數(shù)。合理的窄煤柱寬度可最大限度的降低圍巖的應(yīng)力水平，削弱圍巖的壓力集中程度。

3 減沖控制原理

減沖控制原理包括三方面內(nèi)容，一是降低巷道圍巖的整體應(yīng)力水平，減輕煤層及其頂?shù)装宓臎_擊傾向；二是釋放或轉(zhuǎn)移深部圍巖的集中應(yīng)力，削弱沖擊源；三是主動(dòng)增強(qiáng)圍巖支護(hù)小結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，增強(qiáng)抵抗沖擊的能力。

4 圍巖控制技術(shù)方案與效果分析

4.1 圍巖控制技術(shù)方案

針對(duì)濟(jì)三煤礦163下05運(yùn)輸巷的生產(chǎn)地質(zhì)條件和現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)實(shí)踐，確立了圍巖控制技術(shù)方案。

對(duì)于留窄煤柱沿采空區(qū)掘進(jìn)的巷道而言（窄煤柱一側(cè)即為沿空掘巷側(cè)），由于巷道鄰近采空區(qū)，頂板在巷道開挖前就已經(jīng)出現(xiàn)離層甚至斷裂。沿空掘巷期間礦壓顯現(xiàn)更加劇烈，因此窄煤柱的留設(shè)寬度是沿空掘巷礦壓顯現(xiàn)的主要因素。

4.1.1 模擬確定窄煤柱寬度

采用三維有限差分程序?qū)ρ乜站蛳飮鷰r的穩(wěn)定性進(jìn)行模擬，分別模擬煤柱寬度為3m、4m和6m時(shí)，3個(gè)方案的巷道圍巖塑性破壞、應(yīng)力分布及表面變形，從模擬結(jié)果可知，6m寬煤柱對(duì)應(yīng)巷道圍巖破壞較嚴(yán)重；4m、6m寬煤柱對(duì)應(yīng)巷道圍巖距離側(cè)向支撐壓力峰值區(qū)比3m寬煤柱對(duì)應(yīng)情況要近，且應(yīng)力峰值要大；3種方案對(duì)應(yīng)實(shí)體煤幫側(cè)水平位移均大于沿空掘巷側(cè)。4m、6m寬煤柱對(duì)應(yīng)兩幫水平位移要大于3m寬煤柱。結(jié)合工程類比和傳統(tǒng)支護(hù)理論最終確定窄煤柱寬度為3m。

4.1.2 鉆孔增加孔隙度技術(shù)

163下05運(yùn)輸巷采用鉆孔卸壓，通過鉆孔增加圍巖孔隙度，破裂、軟化煤體，釋放煤巖體中的彈性能，使應(yīng)力峰值向圍巖深部轉(zhuǎn)移。鉆孔直徑約100mm，鉆孔后，周圍煤體受力狀態(tài)發(fā)生改變，約束條件減弱，煤體卸載，支承壓力峰值向煤體深部轉(zhuǎn)移；當(dāng)支承壓力超過煤層孔壁穩(wěn)定范圍時(shí)，鉆孔破壞；支承壓力愈高，鉆孔破壞范圍愈大；因此，煤層集中應(yīng)力愈高，利用鉆孔卸壓愈有效。

4.1.3 強(qiáng)化巷道圍巖強(qiáng)度技術(shù)

強(qiáng)化巷道圍巖強(qiáng)度技術(shù)包括高性能的錨桿支護(hù)技術(shù)體系、小孔徑預(yù)應(yīng)力短錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。具體支護(hù)參數(shù)如下：

頂板、兩幫均采用全螺紋高性能桿體、高強(qiáng)度托板組成的成套錨桿進(jìn)行支護(hù)，錨桿規(guī)格?22mm×2200mm左旋無縱筋高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，采用K2340及CK2340型錨固劑，每根錨桿使用3塊樹脂藥卷。同時(shí)配套采用菱形金屬網(wǎng)和M型鋼帶，護(hù)表鋼帶厚度大于5mm；另外，采用?15.24mm×6200mm的低松弛預(yù)應(yīng)力左旋鋼鉸線錨索加強(qiáng)支護(hù)，外露長度300mm，錨索錨固力不小于180kN，間排距為1800mm。巷道支護(hù)方案見圖1。高性能錨桿支護(hù)技術(shù)體系可強(qiáng)化圍巖小結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度，改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)，抵抗部分沖擊能，柔性支護(hù)護(hù)表可實(shí)現(xiàn)對(duì)沖擊的緩沖和吸收作用。

圖1 163下05工作面運(yùn)輸巷全斷面支護(hù)方案

4.2 控制效果分析

163下05運(yùn)輸巷掘進(jìn)及回采期間巷道圍巖表面變形如圖2所示。可見巷道掘后半個(gè)月內(nèi)圍巖變形較劇烈，之后變形趨于平緩，變形速度降低，但仍持續(xù)增加。回采期間，隨工作面推進(jìn)，兩幫變形劇烈，在距工作面60m，由于單體柱超前支護(hù)作用，兩幫變形較小；推進(jìn)至工作面40m后，兩幫移近速度又增大，距工作面約23m時(shí)測(cè)點(diǎn)被破壞。整體而言，巷道變形量得到了有效控制，滿足工作面安全生產(chǎn)的要求。

圖2 163下05工作面運(yùn)輸巷掘進(jìn)及回采期間圍巖表面位移

采用KSE－Ⅱ－1型鉆孔應(yīng)力計(jì)對(duì)實(shí)體煤幫側(cè)圍巖內(nèi)部支承壓力進(jìn)行測(cè)量，支承壓力分布隨工作面距離變化的曲線如圖3所示。在幫部5m深度附近支承壓力達(dá)到峰值，8.5m深度左右存在裂隙，達(dá)到最小值，8.5～14m深度支承壓力緩慢增加直至平緩；在距離工作面75m范圍內(nèi)，整體而言，受采動(dòng)及支承壓力的影響，實(shí)體煤幫側(cè)煤體應(yīng)力雖有增加，但沖擊危險(xiǎn)性大大降低，163下05工作面運(yùn)輸巷掘進(jìn)及回采期間無沖擊礦壓發(fā)生，巷道圍巖減沖控制效果很好。

5 結(jié)論

（1）濟(jì)寧三號(hào)煤礦163下05工作面運(yùn)輸巷為沖擊傾向性煤層沿空掘巷，圍巖先期變形量大、變形速度快、持續(xù)時(shí)間長，后期變形蠕變特征明顯；受高地應(yīng)力、側(cè)向及超前支承壓力等因素的誘沖作用，巷道發(fā)生沖擊的可能性大。

圖3 隨著距工作面距離的變化實(shí)體煤幫內(nèi)部不同部位支承壓力分布

（2）提出了深井沿空掘巷圍巖的減沖控制原理：降低巷道圍巖的整體應(yīng)力水平，減輕煤層及其頂?shù)装宓臎_擊傾向；釋放或轉(zhuǎn)移深部圍巖的集中應(yīng)力，削弱沖擊源；主動(dòng)增強(qiáng)圍巖支護(hù)小結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，抵抗沖擊。

（3）根據(jù)減沖控制原理，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，確立了圍巖控制技術(shù)：留設(shè)3m窄煤柱降低圍巖整體應(yīng)力；鉆孔增加煤體孔隙度，釋放圍巖應(yīng)力、吸收沖擊能；以高性能錨桿支護(hù)技術(shù)體系為主的強(qiáng)化巷道圍巖強(qiáng)度技術(shù)。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證實(shí)，巷道掘進(jìn)及回采期間均未發(fā)生沖擊礦壓，圍巖變形均在允許范圍內(nèi)。

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On control mechanism of surrounding rock of roadway driving along goaf in coal seam with outburst－proneness

Guo Nianbo，Chen Benhua，Gui Bing，Zhang Yang
（Jining No.3Mine，Yanzhou Coal Mining Co.，Ltd.，Jining，Shandong 272169，China）

Aiming at the surrounding rock control problem of roadway driving along goaf in coal seam with outburst－proneness，based on the stress controlling and support system designing，the rockburst weakening mechanism is proposed.According to the analysis of the failure characteristics and influencing factors of the roadway driving along goaf in the seam with outburstproneness，the comprehensive measures are adopted including designing reasonably pillar＇s width to reduce surrounding rock stress，creating soft interlayer to release wall rock stress and absorb impact energy，and using high－performance bolting support technology system to enhance the strength of surrounding rock support structure，which can realize the effective control on the roadway driving along goaf in coal seam with outburst－proneness.

rock burst，roadway driving along goaf，surrounding rock intensity weakening，surrounding rock control

TD353

A

郭念波（1967－），男，山東巨野縣人，畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)礦井建設(shè)專業(yè)，本科學(xué)歷，現(xiàn)任兗礦集團(tuán)濟(jì)三煤礦副礦長，高級(jí)工程師。

（責(zé)任編輯 張毅玲）