煤礦高動壓巷道支護技術應用研究

＊溫豐旭

（山西中陽華潤聯盛蘇村煤業有限公司 山西 033000）

引言

隨著我國煤炭資源開采深度的日益增加，高地應力、高溫等危害愈發突出，且受開采擾動影響，工作面回采巷道礦山壓力顯現劇烈，圍巖破碎，嚴重威脅工作面的安全開采[1-2]。雖然，前人對高動壓巷道支護技術做了大量研究，有效改善了高動壓巷道的受力狀態，但高動壓巷道仍面臨支護成本高、圍巖變形量大等難題[3]。因此，有必要開展煤礦高動壓巷道支護技術應用研究，以期進一步優化高動壓巷道圍巖受力和形變狀態，保障工作面的安全、高產、高效開采。

1.工程概況

山西中陽華潤聯盛蘇村礦坐落于山西中陽縣，交通位置區域優勢明顯，該礦共布置四個采區，其中二采區6#、10#煤層同時開采（上下分層開采），采用綜合放頂煤采煤法，在開采過程中，由于采高較大，受上部開采工作面的影響，下部10#煤層10206回采巷道發生礦山壓力擾動現象。為保證礦井工作面正常接替及安全配采，需對10206回采巷道的支護方案進行研究，確定合理的支護參數。

2.高動壓巷道圍巖變形規律及控制理論

(1)高動壓巷道圍巖變形規律

眾所周知，巷道開挖后引起應力重分布，若重分布的應力低于圍巖的強度，則圍巖體處于彈性狀態，仍具有較好的穩定性。反之，若重分布應力大于圍巖體強度，此時，圍巖發生破裂并逐步擴展至一定范圍，形成塑性區。可見，巷道的開挖可擾動周圍巖體的應力分布，對與其距離較近的其他巷道產生明顯的影響。對于受采動影響的高動壓巷道，其變形規律較為復雜。從圖1可以看出，下區段工作面回采巷道可分為5個形變區，形變區Ⅰ為回采巷道掘進引起的圍巖變形區，該區段形變量主要是由本巷道掘進引起的應力重分布導致的。形變區Ⅱ為掘進影響穩定后變形區，該形變區巷道變形速度逐漸趨于穩定。形變區Ⅲ為上區段工作面開采引起的變形區，該區段由于受上部工作面回采的擾動，圍巖變形速率又一次增大。形變區Ⅳ為回采擾動穩定后的變形區，隨著與上覆回采工作面距離的增大，回采擾動影響逐漸減小，圍巖變形速率再一次趨于穩定。形變區Ⅴ為下區段工作面回采引起的變形區，受下區段工作面回采影響，區段巷道圍巖變形速率再次增大。由以上分析可知，高動壓巷道的圍巖應力狀態受多次掘進及回采擾動的影響，巷道的最終圍巖變形量可表示為：

圖1 下區段回采巷道圍巖變形規律

式中：u0為巷道自身掘進引起的形變量；v0，v1，t0，t1分別為掘進影響穩定后及受上區段工作面采動影響穩定后的變形速率和時間；u1為上區段工作面回采引起的變形；u2為下區段工作面回采引起的變形。

(2)高動壓巷道圍巖控制理論

①圍巖強度強化理論

圍巖強度強化理論的基本思想是通過錨桿、錨索、金屬網等支護方法，改善圍巖的力學參數，提高圍巖的承載力，從而減小圍巖的變形量。圍巖強度強化理論適用于圍巖較破碎，且強度較低的巷道，通過支護強化形成支護結構與圍巖共同作用的錨固體，有效保證巷道的穩定。

②關鍵塊體耦合支護理論

何滿潮院士認為圍巖的失穩并不是一次性的整體失穩，而是由部分塊體先失穩，并逐漸發展所引起的連鎖反應。最先失穩的部位稱為關鍵塊體，關鍵塊體的強度和剛度往往低于周圍巖體，引起不耦合效應。因此，可通過控制關鍵塊體的強度、剛度，使其與圍巖相耦合，從而實現巷道變形控制。

③聯合支護理論

聯合支護理論是在“新奧法”支護思想的基礎上提出的，聯合支護理論采用多種支護方法相結合、分次支護、剛柔并濟的支護理念。該理論允許巷道開挖初期產生一定的變形，釋放部分支護阻力。

3.高動壓巷道支護方案設計

如上文所述，針對高動壓巷道的變形特點，學者們提出了一系列的圍巖控制理論，這些理論并不是獨立的，在工程實踐中往往采用多種理論相結合的方法，來實現對高動壓巷道的支護。基于此，針對10#煤層10206回采巷道受上部煤層開采擾動的現象，本文結合聯合支護理論和圍巖強度強化理論，提出在10206回采巷道采用“高強預應力讓壓錨桿+鋼帶+錨網+鋼筋梯子梁+錨索”的支護方法。

10206回采巷道的支護參數如下：

頂板支護采用Φ20mm×2200mm高強預應力讓壓錨桿，錨桿間排距為1000mm×900mm。鋼筋梯子梁采用Φ16mm的圓鋼加工，規格為Φ16-5-50-4300，錨網采用規格為4300mm×1100mm的金屬菱形網，鋼帶規格為W-4300mm×280mm×3mm的5孔鋼帶。錨索采用Φ17.8mm×7200mm的鋼絞線，雙排布置，間排拒1400mm×1800mm，錨索托盤為規格300mm×300mm×16mm的高強球形托盤。

兩幫支護所采用額錨桿規格與頂板相同，不同的是錨桿間排拒為800mm×900mm，鋼筋梯子梁采用Φ16mm圓鋼加工，規格為Φ16-3-50-2700，錨網采用規格為2900mm×1100mm的金屬菱形網，巷幫采用W-2700mm×280mm×3mm的4孔鋼帶配合錨桿支護。

4.支護效果驗證

為驗證在10206回采巷道所采用的“高強預應力讓壓錨桿+鋼帶+錨網+鋼筋梯子梁+錨索”支護方法的可靠性，基于10206回風順槽的頂、底板地質條件，在FLAC3D數值模擬軟件中建立模型，分析圍巖變形分布特征，模擬結果如圖2所示。

由圖2（a）可知，10206回采巷道開挖后巷道頂板中部位移量最大為26.79mm，巷道底板底鼓量達到11.86mm，巷道頂底板最大移近量為5.43mm。由圖2（b）可知，水平位移最大值發生在巷道兩幫中部，且右幫最大變形量（9.03mm）大于左幫的最大變形量（5.45mm）,巷道兩幫相對移近量最大值為14.47mm。綜上可知，10206回采巷道所采用的支護方案，可改善圍巖受力狀態有效控制巷道頂、底板和兩幫的位移量，保證10206工作面的安全開采。

圖2 10206回采巷道位移云圖

5.結論

（1）分析了高動壓巷道圍巖變形規律，按照引起巷道形變的外在因素，將受回采擾動影響的巷道分為5個形變區；簡述了高動壓巷道圍巖控制理論，重點闡明了圍巖強度強化理論、關鍵部位耦合支護理論、聯合支護理論的支護理念。

（2）結合聯合支護理論和圍巖強度強化理論，提出在10206回采巷道采用“高強預應力讓壓錨桿+鋼帶+錨網+鋼筋梯子梁+錨索”的支護方法，并對支護參數進行了設計；在FLAC3D數值中建立數值模擬模型，分析圍巖變形分布特征，結果表明，所采用的支護方案，可有效改善圍巖形變。