邢東礦沿空掘巷非對稱變形支護技術研究與應用

靳學乾

（冀中能源股份有限公司 邢東礦，河北 邢臺054001）

1 概 況

沿空掘巷不對稱礦壓顯現特征與其外部工程巖體環境、內部巖性結構、采掘活動過程中應力分布轉移、支護模式等有著密切的關系。針對沿空巷道圍巖變形破壞機理和穩定性控制問題，國內外學者從采礦工程、礦山地質及宏觀力學等學科的不同視角，圍繞沿空巷道覆巖“大、小結構”穩定控制核心主題，對沿空巷道礦壓顯現特征及其主控因素、頂板破壞失穩及其力學機制、圍巖控制理論與關鍵技術等方面進行了有益的探索[1-6]。但深部巷道圍巖收斂變形量嚴重，且往往表現出很明顯的非對稱特征，采用常規的錨網索支護技術難以保證巷道的穩定，使用中需要多次維修，對煤礦的正常生產造成了一定的影響。

2 11214運輸巷沿空掘巷非對稱性變形特征

2.1 11214運輸巷頂底板概況

邢東礦11214工作面所采煤層為2號煤層，煤層平均厚度4.2 m。工作面標高-720—-970 m，地面標高為+53.8—+59.3 m。11214運輸巷緊鄰11212、2223采空區。全長1 335 m，平均坡度12°。煤層頂底板巖性以粉砂巖、細砂巖為主，見表1。11214運輸巷采用采用EBZ-160型掘進機作業，下山掘進。

表1 11214運輸巷頂底板巖性Table 1 Lithology of roof and floor of 11214 transportation roadway

2.2 原支護方案

11214運輸巷為矩形巷道，設計斷面4 500 mm×3 500 mm（高×寬）。頂錨桿采用φ22 mm×2 400 mm螺紋鋼超強錨桿，每孔使用兩卷Z2360樹脂錨固劑錨固，配合穹形鋼托盤、φ12 mm鋼筋梁及菱形金屬網，錨桿間排距800 mm×800 mm；頂板采用φ21.8 mm×8 500 mm 19股鋼絞線錨索加強支護，每孔使用3卷Z2360樹脂錨固劑錨固，配合2.6 m、14號槽鋼、木墊板、鋼托盤等，五花眼布置，間排距1 600 mm×1 400 mm。11214運輸巷支護方案如圖1所示。

圖1 11214運輸巷支護方案Fig.1 Support scheme of 11214 transport roadway

兩幫支護采用φ20 mm×2 400 mm全螺紋錨桿，每孔使用兩卷Z2360樹脂錨固劑錨固，配合使用穹形鋼托盤、φ12 mm鋼筋梁及菱形金屬網，錨桿間排距800 mm×800 mm；兩幫距頂板1.5、3.0 m處打設兩趟順巷錨索加強支護，錨索采用φ15.24 mm×45 00 mm 7股鋼絞線錨索，每孔使用3卷Z2360樹脂錨固劑錨固，間距1 600 mm，配合200 mm×200 mm鋼托盤和φ12 mm鋼筋梁連鎖。

2.3 巷道圍巖變形特征分析

為全面揭示巷道的變形特征，運用十字測點交叉法在11214運輸巷進行圍巖變形監測。在巷道內每隔100 m布置1個測站，共計5個。90 d后巷道趨于穩定，監測結果整理如下。

隨著深度的增加，巷道頂底板/兩幫變形量均趨于增大。巷道底鼓、幫鼓嚴重，兩幫變形量達到600 mm左右，底鼓400 mm左右。頂板下沉量控制在40 mm上下。嚴重的底鼓、幫鼓給物料運輸、皮帶維護、通風等增加了困難。

左幫變形量平均達到200 mm，右幫則達到400 mm。右幫變形量遠大于左幫。11212工作面的開采、11214運輸巷的開掘打破了原有的應力平衡，應力集中向右幫方向偏移。頂錨桿、頂錨索組成的頂板支護系統未能有效控制右幫側頂板，使得應力向右幫傳遞，造成右幫的嚴重破壞。為更好控制右幫，需要將頂錨索向右側偏移或增加頂錨索數量。

左右兩幫的高、中、低三個部位產生不同的變形。高部變形平均為438 mm，中部次之，低部最小，最大分別達到390、372 mm。巷道右上隅角的應力集中，產生較大拉應力，而煤巖體的抗拉伸能力遠低于抗剪切破壞能力，故發生塑性剪切破壞，變形嚴重。原支護下的巷道變形如圖2所示。

圖2 原支護下的巷道變形Fig.2 Roadway deformation under original support

2.4 巷道頂板巖體性質評價

頂板巖樣物理力學實驗結果匯總表見表2，根據我國工程巖體分級標準（GB50217-94），結合實驗室測試的煤巖力學參數，對邢東礦11214頂板巖體進行分類。

表2 頂板巖樣物理力學性質Table 2 Physical and mechanical properties of roof rock sample

式中：BQ為巖體質量指標；RC為巖體單軸飽和抗壓強度的兆帕數值；Kv為巖體完整性指數值。

根據采集頂板巖樣實驗室物理力學性質測試結果進行計算，邢東礦11214頂板細粒砂巖的質量分級見表3。

表3 頂板巖體基本質量分級Table 3 Basic quality classification of roof rock mass

由上表可知，11214工作面頂板細粒砂巖屬于堅硬巖，巖體較破碎，Ⅲ類圍巖。11216工作面運料巷為沿空掘巷，由于頂板巖體堅硬，小煤柱護巷條件下頂板傾向破斷線向采空區方向轉移，懸頂長度加大，易造成頂板壓力陡增、礦壓顯現劇烈。

3 非對稱支護機理

由于11214運輸巷位于相鄰工作面回采形成的側向支承壓力峰后單調遞減區，巷道在未支護條件下，頂板彎矩和撓度如圖所示[7-10]。從圖中可以明顯看出，彎矩和撓度呈顯著非對稱分布，且彎矩和撓度的“重心”位于最大值和煤柱幫之間，該區域頂板極易破碎，完整性差。基于此，11214運輸巷擬采用非對稱“多錨索-鋼筋組合圈梁-槽鋼”的支護形式，且槽鋼梁位于彎矩和撓度的“重心”位置。

巷道采用不對稱布置的錨索桁架支護，并施加高預應力后，可做如下假設：鋼筋梯子梁剛度較小，將其視為柔性的；槽鋼梁的剛度較大，將其對頂板的支護力視為均布的；忽略錨固體質量對結構體的影響。錨索桁架不對稱支護機理力學分析如圖3所示。

圖3 錨索桁架不對稱控頂機理力學分析Fig.3 Mechanical analysis of asymmetric roof control mechanism of cable truss

根據錨索桁架不對稱支護機理分析，建立錨索桁架不對稱支護力學模型，如圖4所示。

圖4 錨索桁架不對稱支護力學模型Fig.4 Mechanical model of asymmetric support of cable truss

根據圖4錨索桁架不對稱支護力學模型，可列平衡方程：

對O點取矩，可列彎矩平衡方程：

式中：ΔR1為采用錨索桁架支護后，實體煤幫支撐力減小量，kN；ΔR2為采用錨索桁架支護后，煤柱幫支撐力減小量，kN；F為錨索預應力，kN；p為槽鋼梁對頂板的支護強度，kN/m；s為實體煤幫側錨索坐標，m；l為槽鋼梁長度，m；t為槽鋼梁與煤柱幫間距，m。

聯系上述公式可得：

采用“多錨索-鋼筋組合圈梁-槽鋼”非對稱支護后，巷道頂板彎矩減小量計算如下：

根據邢東礦相關地質生產參數，可得出沿空煤巷采用“多錨索-鋼筋組合圈梁-槽鋼”不對稱支護后的頂板彎矩減小量分布圖，如圖5所示。

圖5 錨索桁架不對稱支護頂板彎矩Fig.5 Bending moment diagram of unsymmetrical supporting roof with cable truss

從圖5中可以看出，采用“多錨索-鋼筋組合圈梁-槽鋼”不對稱支護后頂板彎矩減小最大區域為煤柱幫附近區域，與未支護條件下頂板彎矩最大區域基本吻合，也是槽鋼梁支護區域，且槽鋼上開長條孔，即使巷道頂板發生水平移動也不影響槽鋼梁支護區域頂板的垂直受力，有效控制了巷道頂板的不對稱下沉和水平移動問題。

4 支護設計優化

4.1 支護方案

關鍵部位加強支護。頂錨索由兩趟改為三趟，并向右幫方向偏移，距右幫分別為750、2 100、3 200 mm。同時，考慮的巷幫高、中、低三部位的不同變形，幫錨索向頂板方向偏移，改為距頂1.1、2.2 m打設。其他支護參數不變。11216運輸巷優化施工方案如圖6所示。

圖6 11216運輸巷優化施工方案Fig.6 Optimized construction scheme of 11216 transport lane

4.2 應用結果分析

在運輸巷使用優化施工方案。4個月后巷道基本穩定。頂底板移近量減小；兩幫變形量、均大幅降低且趨于平衡；巷幫上隅角變形突出的問題得到改善，上下變形基本趨于一致。優化后的支護方案，更好地控制了巷道圍巖變形。

5 結 論

（1）邢東礦大采深工作面沿空掘巷的巷道變形具有明顯的非對稱性，右幫上隅角變形最為嚴重。巷道右幫變形明顯大于左幫。

（2）“多錨索-鋼筋組合圈梁-槽鋼”不對稱支護減少了頂板淺部巖層的垂直受力，可有效控制巷道頂板的不對稱下沉和水平移動問題。

（3）不對稱支護在11216運輸巷的應用表明，巷道表面位移小，掘進后4個月巷道變形穩定，對巷道的控制效果好，可為類似深部沿空掘巷的巷道支護提供參考。