相鄰工作面回采影響下巷道圍巖變形控制探討

張宏偉

（山西中陽張子山煤業有限公司，山西 中陽 033400）

當前，國內近距離煤層開采技術已經較為成熟，但是近距離煤層巷道圍巖支護問題卻始終困擾著礦井安全生產。近距離煤層臨近工作面回采過程中必將發生采動而互相影響，既會加劇工作面頂板巖層相對運動，又會影響采空區內自穩結構的穩定性，造成應力重新分布，甚至加劇上覆巖層空間結構變動趨勢規律的復雜性。為保證礦井安全生產，必須加強回采工作面運輸巷頂底板和側幫支護。與其余煤層不同的是，近距離煤層相鄰工作面回采過程中往往面臨特殊的地質條件和工作面之間采動的互相影響，為此，必須采用特殊的煤巷支護方式，以為礦井安全生產提供保障。

1 礦井概況

礦井井田范圍內主采5 號、9 號、11 號煤層，其中5 號、9 號煤層回采已完成，目前正在回采11 號煤層。9 號、11 號煤層平均間距為8.19 m，為近距離煤層；11 號煤層平均厚度4.87 m，傾角2°～3°，為近水平厚煤層。11 號煤層直接頂為平均厚度4.18 m的細砂巖，基本頂則為平均厚度3.11 m 的泥巖，其煤層頂底板巖性柱狀圖如圖1 所示。

圖1 煤層頂底板巖性柱狀圖

11 號煤層1104 回采工作面以東為待開采1105 工作面，以西為正在開采的1103 工作面，以北為礦界，以南為輔運巷。在1103 工作面回采影響下，1104 工作面臨近側輔運巷的礦壓異?；钴S，為保證礦井安全生產，必須對1104 工作面輔運巷進行合理支護。

2 巷道圍巖支護數值模擬

2.1 巷道圍巖支護方案

為判斷煤巷圍巖穩定性，并進行巷道支護方案設計，必須首先根據摩爾-庫倫準則[1]確定出巷道圍巖塑性區大小。具體而言，應使作用于巖體任意截面的法向應力和剪應力所構成的應力圓和剪切強度線相切，巖體必將順著該切面發生滑移。在煤巷斷面尺寸和形式既定的基礎上，通過縮小塑性范圍以增強巷道支護阻力。

11 號煤層1104 回采工作面輔運巷采用桁架錨桿加強支護形式，頂板則進行錨桿+預應力鋼絞線錨索+金屬錨網聯合支護。順著頂板中軸線并按3.0 m 的間距布置長度7.0 m 的錨索，再在兩側煤壁和巷道頂板交界處按3.0 m 間隔以45°斜角打入5.0 m 長錨索。長度2.1 m 的金屬錨桿按1 000 mm×1 000 mm 的間排距布置，并與金屬錨網形成聯合支護結構。

通過錨桿（索）常規方式進行11 號煤層1104 回采工作面支護時，巷道頂板和兩側幫錨桿尺寸、形式、加強支護方式等必須完全一致。對于拱形巷道斷面，因其受到上覆巖層垂直應力的作用，巷道受力會進一步順著拱形切線方向向側煤壁傳遞，剪切力最大的位置為拱形和煤壁交界處，同時此處也是最容易出現煤巷失穩變形的區域。將預應力桁架錨索從該區域斜穿而過并打入巖體深部，使其和頂板巖體共同形成剪應力來支撐主體。通過以上方式加強支護煤巷圍巖的過程中，桁架錨索因承受上覆巖層垂直應力而發生與頂板巖體同步的彎曲變形，而形成完整的組合梁閉鎖結構后，頂板上覆巖層整體性顯著提升，塑性屈服范圍降低，巷道側幫片幫范圍及頂板下沉問題得到極大緩解。

2.2 數值模擬

結合11 號煤層1104 回采工作面地質條件及失穩變形客觀實際，通過FLAC2D分析軟件進行輔運煤巷常規支護和加強支護情況下的數值模擬[2]。考慮到臨近1103 工作面的回采影響，在模擬的過程中，臨近1103 工作面回采側煤壁應施加水平荷載，而臨近1105 工作面的煤壁應施加水平約束，模型頂面和底面分別施加垂直應力與垂直約束。所構建的模型煤壁高1 000 mm，底寬5 000 mm，半圓拱半徑2 600 mm。數值模擬所得到的11 號煤層1104 回采工作面煤巖物理力學參數如表1 所示。

表1 11 號煤層1104 回采工作面煤巖物理力學參數

采用同樣方法對11 號煤層1104 回采工作面進行常規錨桿支護、桁架錨桿加強支護方式下的煤巖結構強度數值模擬。根據對不同支護形式下煤巷圍巖位移程度的比較發現，巷道頂板在上覆巖層垂直應力的作用下均表現出不同程度的下沉變形，常規支護下頂板下沉變形量是加強支護方式下頂板下沉量的2～3 倍；臨近1103 工作面采空區一側的位移明顯比另一側位移大，而且常規支護方式下側幫位移量均比加強支護下大。根據對不同支護形式下煤巷圍巖塑性屈服范圍的比較發現，頂板和側幫交界區域煤巖塑性屈服范圍最大；臨近1103 工作面采空區側煤巖塑性屈服范圍明顯大于另一側；加強支護方式下因閉鎖結構的形成而使頂板巖體、側幫巖體塑性屈服范圍明顯減小。根據對煤巷圍巖應力云圖的比較分析發現，常規支護方式下，煤巷頂板圍巖巖層表現為受拉狀態[3]，巖層破碎的可能性較大；但加強支護方式下，閉鎖組合結構使煤巷頂板巖層整體性與穩定性均顯著增強。

3 煤巷圍巖礦壓觀測

11 號煤層1104 回采工作面采用桁架錨桿加強支護方式后，為進行支護效果評價，在距離工作面80 m 的范圍內按照5.0 m 間隔設置人工監測點，以觀測煤巷頂底板、側幫位移量。對觀測結果分析發現，監測點和工作面之間的距離是影響煤巷圍巖頂底板及側幫移近量的主要因素，距離越近，移近量越大。在臨近1103 工作面回采及1104 工作面初采的綜合作用及交變荷載影響下，輔運巷深部巖層擾動呈加劇趨勢，煤巷圍巖頂底板及側幫巖體均承受較大壓應力。而在與工作面相距75 m 之外的區域，煤巷圍巖結構基本穩定無變形。根據對1104 工作面輔運巷礦壓的觀測結果，頂底板和側幫移近量最大值分別為20 mm 和10 mm，屬于微小變形，表明該工作面采用桁架錨桿加強支護方式后，煤巷圍巖變形得到有效控制。

4 結論

1）煤巷維護狀況除受到單一巷道維護因素的影響外，還會受到近距離煤層開采過程中采場周圍巖層運動、應力重新分布等的影響。

2）該礦井11 號煤層1104 回采工作面因受到西側近距離1103 工作面回采的影響，采用常規錨桿索方式進行輔運巷支護時煤巷會表現出大范圍的塑性屈服及嚴重的煤巷變形，不利于安全生產。

3）在采用桁架錨桿索加強支護方式后，能有效降低和控制煤巷變形，為礦井安全生產提供保障。