三向應力條件下工作面臨空巷道圍巖變形控制研究

何桂春 劉 陽

（晉能控股煤業集團晉華宮煤礦，山西 大同 037016）

根據《煤炭工業發展“十三五”規劃》，截止到十三五末期，我國煤炭產量將控制在年產39 億t左右，煤炭在我國能源中占比約58%。從中可以看出，未來很長一段時間內，煤炭在我國能源中的主導地位不會變[1]。而隨著煤炭埋深的逐漸加大，深部煤炭在開采時就需要考慮上覆煤柱對下層煤開采時的應力影響[2-3]。此外，由于臨近采空區，工作面煤柱及巷道受上覆巖層的應力影響，巷道圍巖應力顯現明顯，工作面安全回采難度大[4-5]。而大采高工作面超前區域應力集中，巷道圍巖變形明顯[6-7]。因此，對于上覆煤柱及臨空等條件下的大采高工作面巷道超前區域圍巖變形特征和控制技術的研究就顯得尤為重要[8-9]。

針對上述難題，本文以晉華宮煤礦11#層8714工作面為工程背景，研究上覆煤柱、臨空壓力和超前壓力等三向應力條件下工作面巷道圍巖變形特征和補強支護技術，并通過現場觀測進行了驗證，為今后相似條件下煤礦開采工作面巷道支護提供經驗參考和思路借鑒。

1 概況

晉華宮礦井田位置位于山西省大同市北部區域，所采11#煤層賦存穩定，煤層結構簡單。井田南部煤厚大，北部相對較小，煤厚1.69～4.02 m，平均為3.06 m，煤層傾角1°～5°，平均3°，為近水平煤層。地面標高1 248.6～1 325.2 m，工作面標高866～926 m，煤層平均埋深約390 m。11#煤層基本頂為細砂巖，厚度10.3 m；直接頂為細砂巖與粉砂巖互層，厚度1.76 m；直接底為粉砂巖。上覆7-4#層層間距42 m，上覆7#層層間距58 m。8714 工作面留設20 m 煤柱，煤層基本條件較好。

圖1 11#層8714 工作面上下層位關系示意圖

2 巷道圍巖穩定性及變形特征分析

2.1 巷道圍巖穩定性分析

巷道圍巖的穩定性是多方面因素綜合影響決定的，其中圍巖強度、應力和巷道支護等三方面因素起主導作用。因此，要分析工作面巷道的穩定性，就要從以上三個方面進行分析。11#煤層8714 工作面上覆頂板為10.3 m 的細砂巖，為堅硬頂板，上覆巖層具有很強的承載能力，因此，在工作面回采過程中，當圍巖裂隙發育至細砂巖層前，巷道圍巖穩定性良好，當圍巖裂隙發育至細砂巖層后，8714 工作面巷道將產生較大的變形失穩。11#層8714 工作面覆巖力學參數見表1。

表1 11#層8714 工作?面覆巖力學參數

11#層8714 工作面上覆7-4#層層間距為42 m，上覆7#層層間距為58 m。在7#層和7-4#層未開采前，11#煤層處于原巖應力狀態，最大主應力和最小主應力分別為δ1和δ3。隨著上覆煤層的開采，在上覆煤層留設煤柱支撐壓力的影響下，11#煤層煤巖體中最大主應力δ1逐漸增大。隨著11#層8714 工作面的回采，巷道頂板受到的最大主應力δ1有所減小，最小主應力δ3略有增大，頂板主要受到拉伸應力作用；巷道兩幫受到垂直支撐壓力的作用，最大主應力δ1增大，最小主應力δ3減小，主要產生剪切破壞。因此，11#層8714 工作面回采過程中，上覆煤柱區域巷道圍巖應力會明顯增大。此外，鄰近8712工作面回采后，上覆各巖層破斷垮落形成的側向支撐壓力與8714 工作面回采時的超前支撐壓力產生疊加，5714 巷超前區域將出現明顯的礦壓顯現。綜上所述，8714 工作面回采時，5714 巷超前區域將受到上覆煤柱壓力、臨空壓力和超前壓力等三向應力的集中影響。高應力區巷道圍巖微元體圖如圖2。

圖2 高應力區巷道圍巖微元體圖

2.2 巷道變形特征分析

8714 工作面5714 巷巷道凈寬為4.5 m，凈高為3.0 m，巷道原有支護采用錨桿、錨索金屬網聯合支護，如圖3。頂板支設4 排樹脂錨桿+2 排錨索，錨桿間排距為1.0 m×1.2 m，錨索間排距為1.5 m×3.0 m；兩幫護幫采用2 排錨桿配套金屬網支護，錨桿間排距為1.3 m×1.5 m。頂幫支護錨桿均為左旋無縱肋螺紋鋼式樹脂錨桿，規格為Ф18 mm，L2000 mm，配套W 型鋼帶支護，錨索規格為Ф15.24 mm，L6000 mm。

圖3 5714 巷道原有支護示意圖（mm）

在實際回采過程中，在三向應力集中的區域，5714 巷超前區域圍巖整體變形嚴重，頂板開裂、下沉，頂幫錨桿折斷，煤壁片幫及底鼓現象明顯。8714 工作面推進至200～500 m 時，5714 巷超前區域圍巖發生較大變形，部分區域兩幫移近、底鼓。變形后巷道寬度3.8 m，高度2.0 m（變形前為4.5 m×3.0 m），巷道面臨較為嚴重的圍巖控制和支護問題，需要對巷道頂板及煤柱側巷幫進行補強支護，以減小巷道變形情況。

3 巷道圍巖變形控制理論及支護

3.1 巷道圍巖控制理論研究

針對8714 工作面回采過程中巷道圍巖控制問題，結合工作面回采過程中5714 臨空巷道超前區域圍巖受到的三向應力，在實際的巷道圍巖控制中，以增強巷道頂板承載力、改善巷道圍巖應力環境為出發點，達到圍巖控制和加強支護的目的。

煤柱下方巷道處于應力集中區域，受到高應力影響，圍巖易破碎，但是8714 工作面頂板為堅硬頂板，本身具有很高的承載力，因此，采用高強度密集錨索吊梁和斜拉錨索提高巷道圍巖完整性，同時在巷道圍巖中注入馬麗散使破碎的頂板形成一個整體，煤層上覆巖層中的裂隙趨于閉合，上覆巖層的垂直應力向巷道兩側深部巖層延伸，可以有效平衡巷道水平高應力的剪切作用。此外，在應力集中區施工十字錨索吊梁和貼幫錨索防止巷道圍巖破碎垮落，共同提高巷道圍巖特別是頂板的承載力，優化巷道圍巖應力環境，

3.2 巷道圍巖變形控制支護

根據巷道圍巖穩定性和變形特征分析，在實際過程中采用如下方案進行巷道圍巖的支護補強。5714 巷頂板補打Ф17.8 mm×6000 mm 高強度錨索和3.5 m 的工字鋼吊梁，錨索間排距為1.3 m×2.0 m，工字鋼吊梁排距為2.0 m。在巷道兩幫施工Ф15.24 mm×4000 mm 的斜拉錨索，錨索角度為45°，排距3.0 m，配套0.6 m 長11#短節工字鋼。最后，在巷道兩幫下部補打1 排Ф18 mm×2000 mm 壓網錨桿，防止煤壁片幫傷人，錨桿間排距為1.3 m×1.5 m。具體補強支護如圖4。

圖4 5714 巷圍巖控制支護示意圖（mm）

在三向應力集中的超前區域用錨索梁方式十字交叉加固，回采前30 m 在巷道頂板和兩幫破碎區域注入馬麗散提高頂板和兩幫圍巖強度；在頂板較完整區域距煤壁0.3～0.5 m 施工一排貼幫邊錨索，規格Ф15.24 mm×6000 mm，錨索垂直于巷道頂板，防止巷道圍巖開裂破碎后垮落。具體如圖5。

圖5 巷道應力集中區加?強支護示意圖（mm）

3.3 現場實測分析

經工作面現場“十字布點”法觀測，采取上述支護補強方案后，5714 臨空巷在回采過程中超前區域巷道變形量較之前有了明顯減小，特別是當采至1400～1800 m 上覆煤柱區時，巷道超前區域僅出現輕微變形。8714 工作面回采至1400～1800 m 時5714 巷超前區域圍巖變形量如圖6。

圖6 5714 巷超前區域圍巖變形量

4 結語

對三向應力條件下8714 工作面5714 臨空巷道圍巖變形特征和穩定性進行分析，提出了巷道圍巖變形控制理論及支護技術。通過施工高強度錨索吊梁和斜拉錨索保證巷道圍巖完整性，在應力集中區增加十字錨索吊梁和貼幫邊錨索防止巷道圍巖斷裂失穩，發揮巷道圍巖特別是堅硬頂板的自身承載力，最后通過對8714 工作面回采過程中5714 巷超前區域的實際位移觀測表明，該技術對于三向應力條件下工作面臨空巷道圍巖變形控制效果顯著，具有很好的應用價值。