鎮城底礦28620工作面強動壓巷道圍巖控制技術研究

焦躍峰

（西山煤電集團有限責任公司鎮城底礦， 山西 古交 030203）

隨著煤炭開采技術水平的提高，工作面高強度、集約化大型煤炭開采設備的使用越來越普及[1-3]，在工作面開采高度增大的同時，工作面礦壓顯現劇烈程度也隨之增加，出現巷道圍巖變形大、難控制等問題。我國多個煤礦企業均面臨動壓巷道控制難題。針對巷道受強擾動、圍巖破碎、支護效果差等問題，國內相關學者對此展開研究。王其洲[4]采用“錨索+U型鋼”聯合支護，通過錨索提高圍巖固化強度，增大U型鋼承載強度，解決拱形巷道難支護現狀；袁越[5]建立深部動壓環境下巷道圍巖受力模型，推導出巷道圍巖破碎塑性區邊界方程式，為深部巷道設計、支護提供參考；唐芙蓉[6]基于試驗巷道地質條件，構建不等壓條件下巷道受力破壞模型，提出了“錨噴索+錨注”聯合控制技術；婁金福[7]針對動壓巷道頂板離層控制難題，分析頂板離層時主動、被動支護對頂板巖層控制區別，提出高預緊力強力主動支護措施對動壓巷道頂板離層有良好的控制效果。

本文以鎮城底礦28620工作面巷道為研究對象，分析巷道在強動壓影響下，圍巖變形破壞特征及失穩機理，進一步提出巷道圍巖控制技術，保證巷道在服務期內的安全使用。

1 工程地質概況

鎮城底礦是西山煤電古交礦區五對礦井之一。井田位于西山煤田的西北邊緣，井田地質構造復雜，形態略呈一個傾伏狀、波浪式不對稱向斜構造，區內斷裂構造發育。礦井地處古交市西北11 km。

井田面積23.8 km2，可采煤層8層，煤質以肥煤、焦煤為主，主采煤層為2號、3號和8號煤。生產能力為 190 萬 t／a。

其中8號煤層為石巖系太原組，煤層賦存穩定，厚度約為3.80～4.80 m，平均厚度為4.5 m。28620工作面頂底板覆巖特征見圖1所示。工作面位于南二下組煤采區左翼，西北側接正在回采的28610工作面。28620工作面一次采全高綜采工作面，工作面在回采期間，受動壓影響劇烈，出現巷道頂板劇烈下沉，巷道兩幫向巷道空間內移變形嚴重，頂板錨桿、錨索出現大范圍的破斷，嚴重影響正常回采作業，存在巨大安全隱患。

圖1 28620工作面頂底板覆巖特征

2 動壓巷道圍巖破壞特征及失穩機理

2.1 動壓巷道圍巖破壞特征

動壓巷道圍巖破壞特征一般與軟巖巷道類似，但與之相比，動壓巷道由于其受力復雜特性，變形更加復雜。根據對現場28620工作面動壓巷道圍巖表面及內部觀測，動壓巷道圍巖變形破壞呈現三大主要特征：

1）巷道圍巖變形速度快、圍巖變形量大。根據對現場28620工作面圍巖位移監測數據顯示，巷道在初期受動壓影響階段，在較短時間內，巷道頂底板及兩幫移近量就可上升至220 mm，兩幫最大日收斂量為1.5 mm/d，巷道頂板日最大下沉量達2.1 mm/d，底板鼓起量日最大達到1.4 mm/d。隨著工作面回采，巷道破壞程度呈現逐漸上升趨勢。

2）巷道變形具有較強的時間特性。動壓巷道圍巖出現大變形主要與動力源有關，根據現場觀測顯示，超前工作面約80 m處時，巷道開始受到采動影響，隨著工作面的向前推進，巷道圍巖變形程度及變形速度出現激增；在超前工作面約10 m處，巷道變形速度達到最大值，當工作面推過該巷道處，巷道圍巖變形速度逐漸降低。

3）巷道圍巖呈現非對稱性破壞特征。圍巖產生此類變形主要是由于巷道開掘后，高應力逐漸向深部轉移，圍巖變形具有顯著的流變特征。此外，隨著工作面回采，采空區一側支承結構及應力狀態發生改變，在實體煤幫與保安煤柱兩側，應力場呈現非對稱性特征，加劇圍巖出現非對稱性破壞。其破壞形式如圖2所示。

圖2 巷道圍巖非對稱性破壞形式

2.2 動壓巷道圍巖失穩機理分析

動壓巷道圍巖由頂底板、煤壁及實體煤組成，工作面回采產生的擾動對護巷煤柱產生直接影響，失穩的形式包括剪切失穩、劈裂失穩及沿結構面滑移失穩等；其次影響在部位巷道頂板，存在離層與撓曲失穩、剪切失穩、拉斷失穩和擠壓流動失穩等四種破壞形式以及巷道底板的底鼓。

對于動壓巷道而言，一般要經歷鄰近工作面回釆及本工作面回釆的雙重影響。動壓作用下的圍巖破壞包括：煤柱破壞失穩、頂板失穩及結構面的破壞。巷道護巷煤柱、頂底板及其結構面都是一個有機的整體。因此，動壓巷道圍巖的變形破壞失穩是各個組成部分相互作用、相互影響的綜合結果，組合中任一部分的變形失穩都有可能影響到巷道整體結構的穩定性，甚至導致巷道整體的失穩破壞。

一般來說，動壓巷道護巷煤柱上、下兩端呈現水平壓縮狀態，煤柱中部呈現水平拉伸狀態，在強動壓作用下，巷道中部出現劈裂破壞；而巷道頂板巖層在采空區上覆老頂巖塊回轉失穩過程中，受到來自關鍵塊體回轉下沉產生的水平推力作用下，頂板巖層發生橫向錯動，頂板覆巖結構穩定性遭到破壞。在巷道兩幫失穩煤柱未能提供有效支承作用的情況下，導致頂板彎曲下沉，過程如圖3所示；另外結構面的破壞主要是由于巷道開挖后，使巷道圍巖弱結構面應力狀態發生改變，在動壓作用下，弱結構面圍巖成為巷道圍巖主要應力釋放區域，結構面出現滑移、錯動及剪切碎脹變形，進而導致圍巖向巷道內部空間滑移。

圖3 動壓巷道頂板失穩過程

3 動壓巷道圍巖控制技術

根據動壓巷道圍巖失穩機理分析可知，巷道圍巖的穩定性的影響因素主要包括：巷道所處的應力環境、圍巖物理力學性質及其結構類型等，故動壓巷道圍巖控制技術應在充分考慮影響因素的基礎上進行研究。根據28620工作面情況，采用的具體技術參數如下：

1）高強度、高預緊力和高剛度錨網索支護材料。巷道頂板和兩幫使用左旋螺紋鋼錨桿，直徑Φ=22 mm，長度L=2 400 mm，錨桿托盤采用規格為150 mm×150 mm×10 mm的碟形錳鋼托盤；頂板錨索采用19股鋼絲絞線錨索，直徑Φ=21.8 mm，長度L=9 300 mm，錨索托盤采用規格為300 mm×300 mm×16 mm的碟形錳鋼托盤；金屬網直徑為6.5 mm，網孔大小為100 mm。

2）合理的錨桿（索）間排距。巷道頂板錨桿間排距為700 mm×800 mm，錨索間排距為1 500 mm×800 mm；巷道兩幫間排距為800 mm×800 mm，錨索間排距為1 300 mm×800 mm。

3）中、快速錨固劑配合使用。巷道頂板及兩幫錨桿采用K2340、Z2360樹脂錨固劑各一支，頂板錨索采用K2340一支和Z2360三支錨固劑，兩幫錨索使用K2340一支、Z2360兩支錨固劑。

4 支護效果分析

采用動壓巷道圍巖控制技術對28620工作面試驗巷道段進行支護并進行巷道圍巖位移數據監測，監測結果如圖4所示。動壓作用下，巷道圍巖變化呈現非對稱性，巷道圍巖位移總體趨勢為右幫＜左幫＜頂板＜底鼓，在監測17 d內，巷道圍巖變形趨勢總體上一致；在17 d至35 d內，巷道受工作面推進擾動，圍巖出現大變形，其中巷道底板變形量最大，頂板次之，巷道右幫變形量最小；在第37 d后，巷道圍巖變形逐漸趨于穩定。通過監測數據顯示，巷道在動壓影響作用下，左右兩幫最大收斂總和為116 mm，未影響到工作面正常回采作業。

圖4 動壓影響下巷道圍巖位移量變化曲線圖

5 結論

在動壓巷道圍巖破壞特征分析的基礎上，結合鎮城底礦28620工作面圍巖特征，提出動壓巷道圍巖控制技術，該技術使動壓巷道圍巖應力與錨桿、索支護材料提供的預緊力得到有效耦合，提高了巷道圍巖自身承載強度，有效抑制了巷道在回采期間出現圍巖大變形現象。