采动影响巷道破碎围岩支护技术研究

刘进阳

(山西煤炭运销集团 阳城侯甲煤业有限公司，山西　晋城　048105)

·试验研究·

采动影响巷道破碎围岩支护技术研究

刘进阳

(山西煤炭运销集团 阳城侯甲煤业有限公司，山西晋城048105)

摘要某矿-150泵房受附近26采区和28采区工作面回采过程中的多次动压影响，巷道变形严重，运用FLAC3D数值模拟软件分析了采动影响巷道围岩应力分布规律。结果表明：巷道应力分布与工作面的相对空间位置有很大的关联性，靠近工作面侧应力降低区范围较大，破坏更严重。提出了二次锚网索(注浆)支护，现场工业性试验结果表明：巷道围岩变形小，围岩控制效果良好。

关键词动压；数值模拟；围岩应力；二次锚网索

某矿-150泵房是26采区和28采区正常安全生产的核心巷道，后期煤柱回收过程中也同样承担着排水的重要任务，其服务能力决定着后期26煤柱和28煤柱安全回收工作能否正常开展。长期以来，-150泵房受附近26采区和28采区工作面回采过程中的多次动压影响，及工作面停采后永久煤柱的高支承压力作用，变形严重，经过多次翻修和加固，仍然出现失稳变形。随着26、28煤柱工作面的推进，势必会对泵房产生更强烈的动压影响，严重威胁到正常的安全生产。

1工程概况

该矿目前主采煤层为二1煤层，-150泵房邻近工作面位置关系图见图1. 附近二1煤层平均厚度3.5 m，直接顶主要为泥岩和砂岩，直接底主要为砂质泥岩和灰岩。-150泵房二1煤层底板20～30 m，埋深约410 m，从其布置层位得知，主巷道围岩主要为砂岩和砂质泥岩。26煤柱和28煤柱工作面附近基本上为采空区，且采空区距泵房最近距离为213 m.28煤柱工作面设计停采线距离泵房水平距离为40 m，26煤柱工作面停采线距离泵房水平距离为30 m.

泵房掘出后受构造应力和周围巷道掘进、扩修影响，先后进行过多次扩修、加固，目前巷道变形严重，主要表现为巷道全断面收缩，巷道围岩表面大面积开裂，顶部及两帮局部鼓起挤压水管；底鼓严重，泵基础发生一定角度的倾斜，影响到泵机的安全运行；行人道已经过多次卧底，加深了对底板围岩的扰动；泵房围岩破碎，巷道内大量淋水，导致工作环境恶劣，并存在严重安全隐患。此时，泵房已经不能保证26、28煤柱工作面回采期间的正常使用。

图1　-150泵房与邻近工作面位置关系图

2采动影响巷道围岩应力分布规律

泵房会先后受到28、26煤柱工作面采动影响，两工作面分别布置在泵房两侧，28、26煤柱工作面设计停采线距泵房水平距离为30 m、40 m.两工作面回采时间有一定间隔，28煤柱回采结束采空区上覆岩层垮落下沉稳定后，26煤柱工作面采动影响范围才覆盖到泵房，为研究工作面动压过程中，巷道围岩破坏过程及其变形机理，建立FLAC3D数值模型进行数值模拟分析，数值模型尺寸为(长×宽×高)为：320 m×80 m×67 m.分15层岩层，划分为72 090个单元。模型的水平边界及底边界采用零位移约束，上边界为应力边界，数值模拟中，取28煤柱工作面距泵房水平距离80 m、28煤柱工作面距泵房水平距离30 m(28煤柱工作面回采结束)、26煤柱工作面距泵房水平距离90 m、26煤柱工作面距泵房水平距离40 m(26煤柱工作面回采结束)四种情况进行分析。泵房与工作面相距不同水平距离垂直位移图见图2.

图2　泵房与工作面相距不同水平距离垂直位移图

由图2a)得知,28煤柱工作面回采对巷道影响较小，巷道两侧垂直应力分布仍较均匀，且集中区域较小。当工作面推至停采线时，见图2b)，巷道已明显受到采动影响，应力集中区域范围明显增大，应力呈现不均匀性分布，靠近28煤柱工作面侧的左帮围岩应力降低区范围明显大于右帮，较高的应力集中往往表现出较大的应力偏张量，使岩石新裂隙大量产生以及弱面滑移破坏，岩体结构弱化，原弹性区一部分岩石进入塑性状态，扩大了塑性区的范围，同时塑性区在集中应力的作用下也重新“激活”了其流变性能，产生对浅部岩体的挤压力，岩体进入峰后状态成为破碎区的一部分，最终导致巷道左帮破碎区与塑性区范围大于右帮，迫使平衡后的应力集中区域向围岩更深处转移。

图2c)显示左帮垂直应力集中区域继续扩大并向深部发生了一定转移，右帮则基本不变，说明此时巷道受到26煤柱工作面回采引起的超前支承压力影响较小，巷道压力变化的最要原因为煤柱高支承压力影响。在残留煤柱高支承压力下泵房围岩结构持续弱化，但弱化速度相比工作面回采时要小得多，两帮应力不均匀程度加剧。

工作面均已回采结束后的应力分布图见图2d)，此时泵房受到26煤柱工作面回采影响后，右帮应力集中程度明显增大，说明巷道应力分布与工作面的相对空间位置有很大的关联性，靠近工作面侧应力降低区范围较大，破坏更严重，所以采动影响巷道中支护体因为偏载破坏的现象十分常见。在采动影响过程中，应力值<2 MPa的区域主要集中在顶底板，可见顶底板浅部围岩发生距离变形泄压，在进行巷道治理时应该充分注重对顶底的控制。

3采动影响巷道高强稳定型围岩控制技术分析

结合采动影响巷道围岩活动规律及支护承载结构的破坏失稳机理，从采动影响巷道控制基本原则出发，提出高强稳定型锚索补强支护技术。

1) 注浆+高预紧力锚网支护技术。

注浆加固后的岩体整体性强、强度高，为锚杆支护提供了可靠的作用力基础，配合使用钢筋网、梯子梁等构件更有利于锚索预紧力与工作阻力能有效的扩散到围岩中，发挥主动支护作用，提高巷道围岩的稳定性，避免巷道围岩变形，以及围岩垮落等。巷道受扰动影响后，浅部围岩中节理、裂隙等较为发育，存在大量结构面，而主动锚网支护通过径向压缩、轴向抗剪，提高破碎岩体弹性模量、抗压强度、粘聚力及内摩擦系数等力学参数，即提高破碎围岩残余强度。

2) 高预紧力锚索补强支护技术。

采动影响巷道围岩活动剧烈，深部围岩发生强烈剪涨变形，采用注浆+锚网支护未能开发深部围岩的承载能力，所形成的承载结构也是“被动”抵御变形压力。承载结构厚度小、强度低，难以有效控制强烈采动有效巷道围岩的稳定性。同时，锚网支护所形成的支护-围岩承载结构稳定性差，存在分阶段破坏的特点，尤其处于结构薄弱环节的巷道帮部及底板将首先破坏失稳，进而导致承载结构整体性失稳。应采取措施对承载结构强度及稳定性进行补强，小口径高预紧力锚索具有的高强度、主动承载性能特性成为补强支护的最佳选择。

4支护方案及支护效果

泵房一次锚网支护可按扩修前原有巷道支护方式施工。选用GDMd22 mm×2 400 mm/490高强左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距800 mm×800 mm，在一次锚网支护两排锚杆间实施高强度二次锚网索支护，高强度二次锚网索支护采用A、B两种支护断面，且相间布置，锚杆采用d22 mm×3 000 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，锚杆间排距为800 mm×800 mm.在受采动影响后，巷道围岩应变软化，围岩松软破碎，影响支护的效果，因此，当围岩变形量超过100 mm时，也需要对巷道进行注浆。注浆锚杆的间排距为2 200 mm×1 600 mm.

巷道表面位移是反映巷道围岩稳定状况的综合指标。泵房实施高强锚网索支护技术后，开始对泵房变形情况进行为期4个月的监测，泵房表面位移与26、28煤柱工作面相对位置关系见图3.

煤柱工作面回采是巷道变形的主要原因，随着工作面的推进，泵房受到超前支承压力的影响，围岩出现变形，变形量与工作面距离成正比关系。28煤柱回采结束，实际停采线距泵房40 m，泵房两帮移近量为46 mm，顶底板移近量为55 mm.26煤柱工作面停采线距泵房30 m，泵房在受到两煤柱工作面采动影响下，帮部累计移近量为134 mm，顶底板移近量为209 mm.在强烈采动影响下，移近量虽然持续增加，但始终趋势较平缓，巷道稳定型得到了有效控制。

图3　泵房表面位移变化图

5结论

根据-150的实际地质条件及工作面采动情况，制定了高强度锚网索二次支护技术方案，并进行支护效果实时监测。现场监测表明，两煤柱工作面回采产生的超前支承压力是泵房变形的主要原因，随着工作面推进，围岩变形愈加强烈，巷道受到二次采动影响更容易变形。总体上看，变形量均控制在允许范围内，试验效果良好。

参考文献

[1]荆升国.高应力破碎软岩巷道棚-索协同支护围岩控制机理研究[D].徐州:中国矿业大学,2009:33-35.

[2]姜耀东,赵毅鑫,刘文岗,等.深部开采中巷道底鼓问题的研究[J].岩石力学与工程学报,2004,23(7):2396-2401.

[3]刘延生,赵景忠.唐口矿大型硐室锚索桁架支护技术[J].煤炭科学技术,2005(5):12-14.

Research on Mining Impact Broken Surrounding Rock Supporting Technology of Roadway

LIU Jinyang

AbstractA coal mine -150 pump room is affected by several dynamic pressure nearby the working face of 26 mining area and 28 mining area in the process of mining, the roadway deformation is seriously. Analyzes the distribution rule of mining impact roadway surrounding rock stress by using FLAC3D numerical simulation software. Results show that the stress distribution of roadway and the relative space position of working face have a great relevance, the scope of stress relaxed area close to the working face is bigger and the damage is more serious. Puts forward secondary bolt-mesh-anchor support. Field industrial test results show that the roadway surrounding rock deformation is small, the surrounding rock control effect is good.

Key wordsDynamic pressure; Numerical simulation; Surrounding rock stress; Secondary bolt-mesh-anchor

中图分类号：TD353

文献标识码：A

文章编号：1672-0652(2015)08-0021-03

作者简介：刘进阳(1980—)，男，山西晋城人，2015年毕业于重庆大学，助理工程师，主要从事煤炭管理工作(E-mail)496585168@qq.com

收稿日期：2015-06-18