關家崖煤礦重復采動巷道變形特征及控制對策研究

文章編號：1671?251X（2024）08?0044?08 DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.2024050043

關鍵詞：重復采動巷道；變形特征；塑性破壞；疊加擴展特征；多層次耦合控制

中圖分類號：TD353 文獻標志碼：A

0引言

在大采高綜采工作面，為了減少巷道掘進對接續的影響，解決通風問題，常采用多巷布置，將其中一條巷道保留下來，以便在下一工作面回采時復用[1-2]。重復采動巷道會經歷掘進、本工作面回采和下一工作面回采3 個階段，時間跨度為3—4a，其中本工作面回采階段對重復采動巷道的影響程度最大且持續時間最長[3]。本工作面回采過后，重復采動巷道會出現嚴重的持續變形現象：錨固大多失效，巷道兩幫收縮和底鼓均超過1.5m，需要進行擴幫起底和重新支護[4]，否則無法滿足復用要求且存在較大安全隱患[5]。因此，分析重復采動巷道的變形疊加特征，并提出量化準則，將重復采動巷道變形量控制在合理范圍內，對于實現巷道安全復用具有重要意義。

學者們對重復采動巷道進行了廣泛研究，取得了一定成果。閆帥等[6]探索了煤柱寬度對相鄰工作面煤柱內重復采動巷道圍巖應力分布和變形的影響，發現煤柱寬度增加會導致巷道圍巖垂直應力峰值向一側移動，并逐漸遠離巷道。張鵬等[7]利用數值模擬研究了復用巷道圍巖應力分布、煤柱應力分布和煤柱合理寬度。岳延朋等[8]研究了重復采動巷道圍巖變形特征與控制原理，提出了長短錨索分層聯合支護技術。趙志強等[9]分析了重復采動下留巷圍巖塑性區分布特征。范子儀等[10]根據圍巖塑性區分布形態及應力分布特征，提出了軟巖巷道非對稱變形差異化支護方案。

以上研究集中在煤柱與重復采動巷道圍巖穩定性的關系及巷道補強加固方案等方面[11]，為本文研究提供了堅實的理論基礎。重復采動巷道在服務期內具有明顯的疊加演化特征，但有關破壞疊加擴展機理的研究較少。本文以山西興縣華潤聯盛關家崖煤業有限公司（簡稱關家崖煤礦）重復采動巷道為研究背景，采用現場實測和理論分析相結合的方法，對重復采動巷道的變形疊加擴展特征、量化及控制機理進行研究，以期為重復采動巷道安全高效控制提供理論支撐。

1工程概況

關家崖煤礦1309工作面主采3號煤， 走向長2776 m，傾向長220 m，采高4.75m，埋深400 m，采用一次采全高采煤法。13092巷為1308和1309兩個工作面服務，服務年限約3 a，如圖1 所示。13092巷沿頂掘進，為矩形斷面，凈寬為4800mm，凈高為4400 mm，凈斷面積為21.12m²，采用錨索、菱形網、鋼筋托梁、錨桿聯合支護，13092巷與13091 巷之間保護煤柱寬60m。

煤層頂板依次為砂質泥巖（平均厚度為0.78 m）、中粒砂巖（平均厚度為12.5m）、砂質泥巖（平均厚度為2.9m），如圖2所示。

觀測方案：以1308 工作面前100m至后1000m、1309工作面前0～100m 為主要觀測區間，共布置5組測站（測站間隔100 m），觀測一次采動（1308工作面回采）、二次采動（1309工作面回采）對13092重復采動巷道穩定性的影響[12]。

2重復采動巷道變形特征分析

2.1一次采動變形擴展特征

1308工作面回采期間，13092重復采動巷道兩幫累計變形量、移近速度如圖3 所示。一次采動兩幫變形量統計數據見表1。

由圖3 和表1 可看出，重復采動巷道的變形顯示出明顯的分區[13]和非對稱特征。

1） 快速變形區。距1308工作面100～?200m區域，13092巷道平均絕對變形量為228mm，占服務期變形量的11.6%；平均移近速度為5.3 mm/d，巷道處于快速變形階段。

2） 強烈變形區。距1308工作面?200～?700m區域，13092巷道平均絕對變形量為1441mm，占服務期變形量的70.9%，平均移近速度為20.1 mm/d，巷道處于強烈變形階段。

3） 緩慢變形區。距1308工作面?700～?1000m區域，13092巷道平均絕對變形量為293mm，占服務期變形量的17.5%，移近速度為6.8 mm/d，巷道處于緩慢變形階段。

分析可得：

1） 1308 工作面對重復采動巷道的影響是持續的、長時間的，呈現3 個變形影響區。工作面回采后頂板巖層失去支撐，出現彎曲下沉和破斷失穩，超前支承壓力和側向支承壓力通過煤巖介質持續向巷道傳遞，使其發生變形破壞。近位及遠位巖層的破斷是持續、分層次的，并隨工作面推進不斷向前發生，表現為工作面和巷道礦壓顯現持續、長時間、分區域、不均衡、滯后。這是因為當厚硬巖層破斷時，載荷傳遞至巷道圍巖，重復采動巷道受到側向擠壓、推拉復合作用而發生高速變形和大變形；當厚硬巖層破斷后，巷道變形趨緩，移近速度降低。

2） 一次回采擾動下，重復采動巷道發生顯著非對稱破壞，裂紋破壞主要在煤壁幫和煤柱幫，而頂底板較少，表現為巷道兩幫顯著片幫和內移；煤壁幫與頂板、煤柱幫與底板交匯處變形嚴重。

2.2 二次采動變形疊加特征

1309工作面回采期間，重復采動巷道兩幫變形量、移近速度如圖4 所示。二次采動期間，工作面前方40m內巷道變形破壞嚴重，工作面前方20m內巷道發生劇烈變形，最大變形量為690mm，最大移近速度為170 mm/d；工作面前方40m以外巷道變形量逐漸減小，采動超前支承壓力影響范圍小于60m。

分析重復采動巷道整個服務期間的變形破壞可知，一次、二次采動導致的巷道變形量分別為1962 mm和690mm，占比分別為74% 和26%，一次回采期間為主要影響階段。二次采動巷道在一次破壞基礎上疊加擴展，并繼續呈現非對稱破壞特征。兩幫破壞深度繼續大幅增加，頂板和底板破壞深度幾乎不變，在煤壁幫與頂板、煤柱幫與底板交匯處變形破壞繼續疊加擴展，使得非對稱破壞更加顯著，形成巷道圍巖蝶形疊加塑性破壞區。

2.3巷道塑性疊加擴展及量化

煤層開采后上覆基本頂破斷的巖塊B 發生回轉下沉，在煤柱和巷道圍巖中形成應力集中[14]。在此位置煤體中豎向壓力和側向壓力疊加并形成偏差（即偏應力σd），且越靠近采空區偏應力越大，即煤體內最大主應力由豎直向水平偏轉，如圖5 所示。

偏應力大小和方向變化是巷道圍巖塑性發展的

主要影響因素，最大偏主應力σ_s[15]計算公式為

設一次采動塑性區主應力比值η₁ 為1.5， 2.0，2.5，3.0，得到巷道疊加塑性區形態系數與主應力比值關系，如圖7 所示。定義形態系數為τ，當τ = ∞時，塑性變形為圓形；當τ≥1 或τ≤0 時，塑性變形為橢圓形；當0＜τ＜1 時，塑性變形為蝶形[16]。

分析圖7可知，主應力比值增大，巷道塑性區形態系數迅速減小后趨緩。τ 越小，巷道塑性變形越接近蝶形，巷道破壞越嚴重。巷道疊加后塑性區形態及擴展規律如下：

根據重復采動巷道塑性區形態判定準則，砂質泥巖、煤和中粒砂巖在2 次采動后，塑性區疊加破壞分別屬于蝶形、蝶形和橢圓形，13092 巷道圍巖破壞形態屬于蝶形。因此，重復采動巷道圍巖控制的重點時間為一次回采階段，重點區域為強烈變形區和緩慢變形區的巷道煤柱幫一側。

3重復采動巷道多層次耦合控制技術

3.1多層次耦合控制力學分析

工作面回采產生超前支承壓力和側向支承壓力[18]，巷道圍巖受力特征如圖8 所示。一次采動期間重復采動巷道在1308工作面側向支承壓力作用下應力增高，為塑性區和彈性區；二次采動期間重復采動巷道主要受本工作面（1309工作面）超前支承壓力和側向支承壓力影響，為破壞區和塑性區。

重復采動巷道變形破壞以蝶形和較大蝶形破壞為主。關鍵巖塊2 發生破斷回轉，作用于重復采動巷道及煤柱，使完整性嚴重破壞，承載力大幅下降。為實現重復采動巷道圍巖控制，支護體提供支撐力qz，煤柱塑性區、彈性區支撐力分別為q₁和q₂。

通過分析采動巷道蝶形變形特征和破壞分區規律，提出了重復采動巷道多層次耦合控制技術，采用淺低壓?深高壓注漿提高煤柱支撐力，采用錨索補強提高支護體支撐力，實現耦合控制[19]。

3.2淺低壓?深高壓注漿方案

巷道兩幫為蝶形破壞的主要擴展區，在重復采動巷道兩幫淺部圍巖布置低壓注漿鉆孔，低壓注入漿液可粘合破壞圍巖，形成完整的承載體和止漿殼結構。針對二次采動下破壞向兩幫圍巖深部傳遞特征，提出深部高壓注漿思路，高壓注入的漿液進一步將深部小裂隙節理固結，形成較好的整體，使得巷道圍巖繼續發揮主要承載體作用[20-21]。

兩幫鉆孔布置4 m 和8 m 淺孔注漿及12m 深孔注漿。其中4 m 和8 m 淺孔注漿采用雙液注漿材料，水灰比0.8∶1，封孔長度為1 m。12m 深孔注漿采用單液注漿材料， 水灰比0.6∶1，封孔長度為2 m。3 種規格注漿壓力分別為6，8，10 MPa，注漿材料性能見表3。4 m 和8 m 淺孔每排均布置3 個鉆孔，依次為上排、中排和下排，孔徑為42 mm[19]，間距為2 m，如圖9 所示。

對于12m 深孔，需要在注漿前形成淺部封閉區，即先完成 4 m 和8 m 鉆孔注漿。距離底板1.5，3 m 分別布置注漿鉆孔，間距、孔深和孔徑分別為2，12，42 mm，上排、下排鉆孔仰角分別為5°和0。12 m深孔布置如圖10 所示。

對13092 巷道煤柱一側進行全長滯后注漿，鉆孔布置如圖11 所示。距離底板1.5 m 和3 m 分別布置注漿鉆孔，孔間距、孔深、孔徑和孔壓分別為2 m，12 m，42 mm 和10 MPa，上排、下排鉆孔仰角分別為5°和0。

3.3強力錨索支護方案

二次采動疊加擴展作用松動了支護體和錨固結構[22]，因此，采用強力錨索進行約束，將破壞圍巖?漿液黏結體與深部穩定巖層錨固起來，形成大范圍承載體，實現對重復采動巷道圍巖蝶形破壞的控制。

在頂板中補打1 排錨索，使得每排共3 根錨索，排距為1.2 m，兩側錨索距離兩幫1.2m，錨索長度為8.4 m[22]，如圖12（a）所示。在煤柱中補打1 排錨索，最上面的1根錨索距頂板800mm，仰角為11°；第2 根錨索距上部錨索1500 mm，仰角為0；第3 根錨索距離第2根錨索1500mm，錨索長度為7.4 m，形成“三三三三”錨索布置[18]，如圖12（b）所示。

4加固前后變形量對比

采用多層次耦合控制技術加固區域與未加固區域的巷道累計變形量對比見表4。在一次采動和二次采動期間，重復采動巷道發生蝶形非對稱破壞，以煤柱側巷幫、巷幫與頂底板交匯點變形和底鼓為主。

從表4可看出，加固區域煤柱側巷幫和底板變形量明顯減小，分別為155 mm 和210 mm；加固區域和未加固區域巷道有效斷面積分別為18.2， 9.7 m²，說明多層次耦合控制滿足巷道復用要求。

5結論

1） 重復采動巷道變形呈現分區和非對稱破壞特征，可劃分為快速變形區、強烈變形區和緩慢變形區；破壞主要在煤壁幫和煤柱幫及煤壁幫與頂板、煤柱幫與底板交匯處，屬于持續擴展的蝶形破壞。

2） 重復采動巷道塑性區具有疊加擴展特征，一次采動塑性破壞不可逆，二次采動后在一次破壞基礎上再破壞，以一次采動破壞為主。重復采動巷道圍巖控制的重點時間為一次回采階段，重點區域為強烈變形區和緩慢變形區的巷道煤柱幫一側。

3） 提出了以淺低壓?深高壓注漿和強力錨索約束為核心的重復采動巷道多層次耦合控制技術和參數，并在關家崖煤礦13092 巷道成功實現了復用。