采动影响下软岩巷道围岩稳定性控制技术

高振博

(山西新元煤炭有限责任公司，山西 晋中 030600)

随着我国煤矿开采条件的日益复杂，软岩巷道是经常遇到的一种围岩形式，因为软岩巷道本身的岩性较差，在采动影响下围岩的破坏变形更加严重，因此急需采取有效控制措施提高软岩巷道围岩稳定性。国内外学者对于软岩巷道失稳机理及其支护技术已经展开了相关研究：朱效嘉[1]认为软岩巷道卸压到一定程度，就要采用高强度混凝土墙来控制巷道变形，仅仅依靠卸压措施是远远不够的；何满朝[2]认为通过支护手段可以有效提高围岩稳定性，改变围岩应力状态；侯朝炯[3]等认为锚杆支护可以使围岩变形范围减小，提高围岩承载能力。本文主要针对新元矿3107工作面回风巷实际情况，通过对软岩巷道变形规律及失稳特征的分析，提出了采动影响下软岩巷道围岩支护方案。

1 工程概况

新元煤矿3107工作面主采3#煤层，位于二叠系下统山西组中部。埋深419.2～477.7 m，煤层平均厚度为2.82 m，倾角为2°～6°，可采储量为143.3万t. 工作面回风巷断面形状为矩形，净宽为4.8 m，净高3.0 m，巷道长度约为1 591 m. 3#煤层直接顶为砂质泥岩，均厚5.66 m；基本顶为中粒粉砂岩，均厚2.5 m；直接底为2.98 m的砂质泥岩；基本底为灰色中粒细砂岩，均厚3.94 m. 具体煤层顶底板岩层情况见表1. 3107工作面共布置了3条回采巷道，分别为3107进风巷，3107辅助进风巷与3107回风巷。其中，3107回风巷受3107工作面回采时上覆岩层移动所产生的动压影响，且3107回风巷通过3107辅助回风巷沿空留巷技术，要做为3108工作面进风巷，因此受到本工作面和下工作面回采动压影响，需要对3107回风巷进行补强支护，改变支护参数。同时，3107工作面围岩岩性较差，具有明显的软岩特性，在采动影响下巷道变形量大，巷道在原锚网梁的支护方式下，围岩变形得不到有效控制，且底鼓现象严重，需采取有效措施提高围岩稳定性，保证生产安全。其工作面采掘工程平面图见图1.

2 软岩巷道变形规律及失稳特征

2.1 软岩巷道变形规律

由表1可知，3107工作面回风巷直接顶和直接底都是砂质泥岩，抗扰动能力差，具有明显的软岩特性[4-5]. 由地质资料可知，该巷道底板斜交裂隙发育，在采动影响下裂隙不断扩展、延伸，引起深部围岩的破坏。

1) 帮变形破坏形式。两帮向巷道内部挤压，变形量较大，初期的两帮移进速率约为20 m/d，两帮相对移近量达到500 mm以上，实体帮的变形程度小于煤柱帮的变形程度，片帮情况较轻微的区域只能观察到局部连通的裂隙，片帮情况严重的区域可以看到锚挂网被拉断或扭曲、钢筋网强烈变形，两帮岩体变形破坏严重。

图1 3107工作面采掘工程平面图

表1 顶底板岩层性质表

2) 底板变形破坏形式。巷道两帮底部较顶部有明显的变形，底鼓严重，底板变形量达到800 mm以上。由于顶板的应力首先传递到两帮，再经过两帮传递到底板上，原巷道采取锚网梁的支护方式，未对软岩巷道底板采取控制措施，因此集聚的应力在底板上释放，底板变形量大、变形速率高，进一步加剧了顶板的下沉、两帮的破坏，巷道变形严重，维护困难。

2.2 软岩巷道变形失稳特征

1) 变形量大。3107工作面回风巷直接顶为砂质泥岩，基本顶为中粒粉砂岩，围岩岩性较差，具有明显的软岩特性。软岩巷道具有围岩强度低、围岩应力较高、围岩完整性差、泥化易风化、抵抗变形能力差等特征。软岩巷道围岩的变形，主要发生在巷道围岩支护强度不足时，围岩集聚的岩体膨胀变形量和塑性变形能就会释放，引起围岩的变性破坏，影响范围较大。

2) 变形速率大。3107工作面回风巷围岩变形对应力扰动非常敏感，受到本工作面和下工作面回采动压影响，巷道围岩强度和完整性急剧下降，两帮发生显著变形和破坏，回采期间回风巷的初期变形速率达到每天10 mm/d以上。此外，应力环境、围岩强度、支护方式等因素也会影响围岩变形速率。

3) 变形持续时间长。受采动干扰的回风巷围岩初期变形速率很大，由于围岩支护强度不足，围岩持续变形，速率并没有明显降低，围岩变形得不到有效控制，且底鼓现象严重。在采动影响趋于稳定后，巷道围岩进入稳定变形阶段，围岩近似以流变的形式变形，具有明显的时效性。

3 围岩控制效果分析

3.1 支护方案设计

根据对3107工作面软岩巷道变形规律及失稳特征的分析可知，由于3107工作面回风巷围岩整体岩性较差，软岩巷道在支护强度不足时围岩变形量较大，回采期间回风巷的初期变形速率达到10 mm/d以上，且变形持续时间长，底鼓现象严重。为防止回采期间巷道围岩失稳，提出了针对3107工作面软岩巷道采用“高预紧力锚杆+帮部锚索+底角锚杆”的围岩支护方案，具体支护设计如下：

1) 巷道顶板锚杆规格为d20 mm×L2 400 mm，排间距为800 mm×800 mm，每排6根，采用HRB335左旋螺纹钢锚杆，并铺设8#菱形的金属网，材料选用50 mm×50 mm的铁丝加工而成。

2) 巷道顶板单体锚索采用d21.6 mm×L8 300 mm的高预应力锚索，预紧力为30 kN，锚索排间距为1 600 mm×1 600 mm，每排3根，锚索托盘采用300 mm×300 mm×16 mm的碟形托盘，并配套让压管、锁具、调心球垫等。

3) 巷道两帮锚杆规格为d20 mm×L2 400 mm，预紧力30 kN，排间距为800 mm×800 mm，采用HRB335左旋螺纹钢锚杆，最下端一排锚杆俯角为35°.

4) 巷道帮部单体锚索采用d21.6 mm×L4 200 mm的高预应力锚索，预紧力30 kN，锚索排间距为800 mm×800 mm，每隔两排锚杆打一排锚索，第一根距底板800 mm，与水平方向平行，第二根距底板2 200 mm，与水平方向夹角10°. 锚索托盘采用300 mm×300 mm×16 mm的碟形托盘，并配套让压管、锁具、调心球垫等。巷道支护断面图见图2.

图2 3107工作面回风巷支护断面图

3.2 围岩控制效果分析

为了检验采动影响下软岩巷道围岩支护效果，优化锚杆设计方案，在工作面回采时开始设置测站，第一个测站设在工作面前方5 m，之后每隔5 m布置一个矿压监测站，对3107工作面采动期间围岩变形量和围岩变形速率持续监测直至数据基本稳定。由于距开切眼205 m位置处观测效果较好，所以选取该测点处矿压检测结果进行分析，测点位于工作面前方时矿压监测结果见图3，4，测点位于工作面后方时矿压监测结果见图5，6.

图3 工作面前方巷道围岩变形曲线图

图4 工作面前方巷道围岩变形速度曲线图

由图3，4可以看出，在采动期间内，巷道围岩变形量在0 m处(即工作面)最大，其中顶板下沉量约为32.6 mm，底鼓量约为200 mm，实体煤帮变形量约为43.2 mm，煤柱帮变形量约为56.5 mm，在工作面前方90 m以外的区域，巷道的变形量基本不再增加。围岩变形速率在0 m处(即工作面)最大，随着距离工作面距离的增大，变形速率逐渐变小，且在90 m处趋于0.

图5 工作面后方巷道围岩变形曲线图

图6 工作面后方巷道围岩变形速度曲线图

由图5，6可知，工作面后方30 m以内围岩变形速率较小；由于回采过程中工作面后方30～75 m上覆岩层发生破断，导致围岩变形速率有所上升；工作面后方75～100 m，围岩变形速率逐渐稳定。

在观测期间内，采动后最终巷道顶板下沉量100.5 mm，底鼓量328.7 mm，实体煤帮变形量98.4 mm，煤柱帮变形量134.2 mm，围岩变形在生产要求允许范围之内，现场围岩变形情况得到了有效地控制。

4 结 论

针对新元矿3107工作面采动影响下软岩巷道的情况，通过对软岩巷道变形规律及失稳特征进行分析，提出了“高预紧力锚杆+帮部锚索+底角锚杆”的支护方案，并结合工作面实际情况对围岩控制措施进行了具体设计。根据矿压监测结果可知，支护方案实施后，采动后最终巷道顶板下沉量100.5 mm，底鼓量328.7 mm，实体煤帮变形量98.4 mm，煤柱帮变形量134.2 mm，可知该支护方式有效控制了围岩变形，提高了围岩稳定性。