大采高小煤柱回采巷道围岩破坏特点及控制技术

张佳悦

(西山煤电集团有限公司 西铭矿，山西 太原 030053)

对于厚煤层开采工艺，我国目前采用的方法有分层、放顶煤和大采高综采。与分层或放顶煤方法相比较，大采高综采的优势有生产能力比较大、回采巷道布置比较简单、煤炭回采率比较高以及经济技术效益比较突出等。因此，该采煤法已经成为当前国内外厚煤层开采的首选。

目前，虽然对大采高小煤柱回采巷道围岩的稳定及控制技术进行了大量研究，但不同矿井的工程地质条件相差甚大，一些研究结论并不适合所有矿井。因此，本文对大采高小煤柱回采巷道的围岩破坏特点及其控制技术进行了分析。

1 大采高小煤柱回采巷道围岩破坏特点

由于与一般条件回采巷道有着很大的区别，大采高小煤柱回采巷道围岩的塑性区、破碎区都比较大，受采动影响时这两个范围将更大。总体来说，大采高小煤柱回采巷道的围岩比较松散破碎[1]，已有研究表明，此类巷道围岩的破坏特点体现在以下几方面[2]：

1) 由于经历相邻区段及本工作面回采等多次扰动，巷道围岩的变形量较大，其中顶底板移近量与两帮移近量相比，后者显著大于前者，所以仅采用一般U型钢、工字钢等刚性支护措施难以控制围岩的变形与破坏。

2) 小煤柱回采巷道掘进前，临近工作面已回采结束，受上方岩层垮落影响，采空区侧的巷帮变形量大于实体煤侧；而在本工作面回采过程中，实体煤侧的巷帮变形量大于采空区侧。

3) 小煤柱回采巷道掘出后，其围岩稳定性主要受临近及本工作面采动影响，因此围岩的变形与破坏呈现周期性变化。

4) 受临近及本工作面采动影响，矿压显现程度大而使得围岩变得十分松散破碎，造成围岩受力状况复杂且不均匀，局部应力集中程度较大，最终表现为围岩承载能力差、维护困难等。

2 大采高小煤柱回采巷道锚杆支护机理分析

锚杆支护技术能够将具有抗拉和抗剪特性的杆体和被支护围岩锚固成一个整体承载结构，在煤矿巷道支护等地下开挖工程中得到了广泛应用。目前，比较成熟的锚杆支护理论有悬吊、组合梁、压缩拱、最大水平应力及松动圈支护等[3].

2.1 悬吊理论

煤矿巷道等地下工程硐室的开挖过程会使得围岩的应力状态发生改变，巷道顶板浅部围岩受开挖扰动影响最大，会因为失去支撑作用而向下变形运动，直至自然垮落。如果在巷道顶板浅部围岩与深部岩层发生脱离前施加锚杆支护，锚杆杆体因具有抗拉和抗剪作用而将支护范围内的危险块体悬吊在稳定的深部岩层，保持巷道顶板浅部岩层的稳定。

悬吊理论虽然可以解释锚杆支护对浅部岩层的悬吊作用，然而将巷道顶板的稳定和不稳定岩层都假设为孤立层状结构，与现场实践中稳定和不稳定岩层之间还存在一定的相互作用力并不吻合。除此之外，悬吊理论的适用前提条件为巷道顶板上覆岩层中必须存在强度比较大的稳定岩层，并且被支护浅部不稳定岩层的厚度不得大于锚杆的杆体长度。不同顶板岩性对应锚杆需悬吊范围图见图1.

图1 不同顶板岩性对应锚杆需悬吊范围图

2.2 组合梁理论

巷道开掘以后，如果顶板浅部需要支护的低强度岩层较厚，悬吊理论将不适用。此类条件下，锚杆对顶板浅部岩层的支护作用主要表为：1) 针对浅部不稳定岩层容易松动垮落的情况，锚杆通过其端头和托盘施加的预紧力增大了支护范围内岩层间的摩擦系数，减弱顶板不稳定岩层间的离层现象。2) 针对浅部不稳定岩层容易滑移的情况，锚杆通过其杆体的抗剪切性能使支护范围内的岩层形成图2b)所示的组合梁结构。与未支护前图2a)所示的顶板岩层叠合梁结构相比，在承受相同载荷情况下，组合梁结构的抗弯能力更强，可以大幅度减弱变形下沉量。

图2 未支护叠合梁与锚杆支护组合梁对比图

顶板上方各不稳定岩层之间的作用力在没有运用锚杆支护变形下沉的过程中比较小，顶板整体下沉量大致等于各个不稳定岩层变形下沉量之和，作用于顶板叠合梁结构的最大拉应力为：

(1)

顶板上方岩层在运用锚杆支护发生变形下沉时，因为受到锚杆比较强的抗剪能力作用而形成组合梁结构，作用于顶板组合梁结构的最大拉应力可以用式(2)、(3)表示：

(2)

(3)

式中：

(σmax)叠—顶板不稳定岩层在无锚杆支护条件下的最大拉应力,kN；

(σmax)组—顶板不稳定岩层受锚杆支护形成组合梁结构的最大拉应力,kN；

Mmax—顶板所承载的最大弯矩,kN·m；

h—顶板各个岩层的厚度,m；

n—顶板岩层数目。

根据上述分析可以得出，顶板不稳定岩层与锚杆共同形成组合梁结构的最大拉应力只有在无锚杆支护条件下最大拉应力的1/n，因此顶板采用锚杆支护所形成组合梁结构的抗弯能力比无支护时有了大幅度的提高。

2.3 压缩拱理论

与上述两种支护理论的应用范围相比，压缩拱可以适用于各种围岩条件。以锚杆为中心在被支护围岩内会形成一个形状类似锥形的锚固带，锥形锚固带在间排距参数布置合理的情况下相互之间能够叠加并形成压缩拱结构，见图3.

图3 拱形巷道顶板压缩拱结构示意图

压缩拱理论主要适用于拱形断面巷道，运用于矩形断面巷道时就等同于组合梁理论。顶板采用锚杆支护时所形成压缩拱结构的挤压特性比无支护时有大幅度的提高，这个压缩拱结构不但能够承受荷载作用，还能更加有效地阻止深部围岩的变形破坏。

2.4 最大水平应力理论

当巷道围岩所受的水平应力大于垂直应力时，决定其是否保持稳定的关键因素是最大水平应力。研究表明，巷道轴向与最大水平应力方向的关系对围岩稳定性的影响主要表现为[4]：1) 巷道围岩的变形破坏程度在巷道轴向和最大水平主应力方向相同时最小。2) 围岩在巷道轴向和最大水平主应力相交成0°～90°的情况下容易破坏，并且变形破坏程度随着该夹角的增大而呈现出愈加严重的趋势，当夹角为90°时变形破坏最为严重。

理论研究及实践观测均表明巷道围岩受最大水平应力作用时容易发生剪切变形与破坏，锚杆支护通过轴向压缩作用和切向抗剪作用在有效阻止围岩早期变形的同时，还能有效阻止岩层间的滑动。巷道轴向与最大水平主应力方向对围岩稳定性的影响程度见图4.

图4 围岩稳定性的受影响程度图

2.5 围岩松动圈理论

围岩受巷道开挖扰动作用发生一定范围的破坏而形成松动圈，根据实测松动圈厚度的大小可分为小松动圈(<400 mm)、中松动圈(400～1 500 mm)和大松动圈(>1 500 mm). 在顶板岩层垮落过程中支护体主要承受的载荷为已垮落岩层的碎胀力，顶板岩层垮落过程产生的碎胀力以及支护体承受的载荷都随着松动圈厚度的增大而呈现出逐渐增大的趋势。

不同松动圈对应3个层次的支护方式：1) 小松动圈。由于巷道围岩小松动圈变形破坏以弹塑性形变为主，此时巷道围岩具有比较强的承载能力，因此通过喷射混凝土对巷道围岩外侧进行封闭即可达到防止表面围岩垮落的目的。2) 中松动圈。由于巷道围岩中松动圈的范围不是特别大，因此可以根据悬吊理论将松散围岩通过锚杆悬吊到其上方稳定岩层之中，然后结合喷射混凝土以防止巷道表面围岩垮落。3) 大松动圈。锚杆支护使顶板不稳定岩层形成抗弯及承载能力更强的组合梁结构。

在25 ℃环境下进行充电实验,由 SOC=0%时开始充电。将监测所得到的状态数据传送到模糊控制器 1,经一系列处理后,当析气电压值小于端电压时,立即停止充电,在静置一会后,算出极化电压值。

3 回采巷道锚杆对围岩作用力的分析

3.1 锚杆轴向作用力分析

沿杆体长度方向，锚杆对支护范围内的煤岩体施加轴向作用力，主要表现为抗拉作用。受锚杆轴向作用力影响，围岩内的正应力计算公式为：

Δσ=F/a·b

(4)

式中：

F—锚杆轴向作用力， N；

a、b—锚杆的间距、排距，m.

对式(4)进行分析可以得出，增大围岩所受正应力的途径包括增大锚杆轴向作用力和加密锚杆数量。虽然增加锚固数量会使围岩所受的正应力显著增大，但不可避免地会使锚杆消耗量增加，导致支护成本增加和减慢巷道掘进及支护速度。因此，在大采高小煤柱回采巷道支护设计时，选择高强度材质锚杆并施加较高的安装预紧扭矩不仅技术上可行，而且支护成本低、施工速度快。

3.2 锚杆横向作用力分析

锚杆的横向作用力是指沿其横截面方向对围岩施加的剪切作用和通过锚固剂对黏结面上围岩施加的法作用。

综上所述，随着锚杆轴向应力和剪切应力的增大，锚固范围内裂隙等弱面的抗剪强度随之增大。

4 大采高小煤柱回采巷道围岩控制机理分析

由于大采高小煤柱回采巷道与邻近采空区的水平距离较小，受邻近采空区上覆岩层垮落影响，表现为围岩内部应力集中系数大且分布不均、动态平衡结构发生失稳的力学现象。针对大采高小煤柱回采巷道受本工作面采动影响矿压显现程度剧烈、围岩变形量大且不均匀[6]的支护难题，提出的围岩控制机理如下：

1) 高强度锚杆支护与整体锚固。锚杆及其支护构件通过锚固作用使被支护煤岩体形成具有一定承载结构的锚固体，锚杆及煤岩体共同作用构成的锚固系统可以改善大采高小煤柱回采巷道围岩的受力状况，提高锚固围岩的力学性能及承载强度。

2) 回采巷道围岩控制的关键。大采高工艺的回采高度较大，上覆岩层断裂垮落并不能将邻近工作面的采空区完全充填，因此基本顶岩层弯曲下沉产生的侧向支承压力使小煤柱边缘松动变形，煤柱强度及承载能力降低。因此，大采高小煤柱回采巷道围岩控制的关键是保持小煤柱自身的稳定性。只有小煤柱保持稳定才能使受本工作面回采影响时围岩应力分布均匀、变形量小，满足通风、运输、行人等安全要求。

3) 采用高强度锚杆让压支护措施。采用高强度锚杆能够增强大采高小煤柱回采巷道的围岩强度，降低围岩变形量。围岩变形过程是能量释放的宏观表现，为了释放变形能量，支护结构在满足强度要求的同时，还应适应较大的变形。高强度锚杆材质的延伸率较大，不仅能施加较大的支护强度，还能适应一定的围岩变形，因此可采用高强度锚杆让压支护措施控制大采高小煤柱回采巷道围岩变形。

4) 采用高预紧力锚杆支护提高围岩的稳定性。安装锚杆时，通过施加高预紧力使被支护煤岩体处于受压状态而尽可能维持其完整性，减弱变形破坏导致的破碎区、塑性区范围，从而提高围岩的稳定性。

5) 采用小孔径锚索加固深部围岩。对于大采高小煤柱回采巷道，还可以通过采用小孔径预应力锚索使锚杆支护形成的锚固体与深部稳定岩层协调运动实现加强支护，防止顶板浅部的松软岩层冒落。安装锚索时应保证锚索具有较大的预紧力，以保证锚杆支护形成的浅部应力场与锚索加强支护形成的深部应力场相互叠加，并形成一个统一的预紧力承载结构，防止锚固范围内岩层发生离层、变形。

6) 采用钢带、金属网等增强巷道围岩的护表能力。本工作面回采向前推进时，巷道浅部围岩在超前支承应力作用下进一步变形破碎，局部围岩松散而使周围的锚杆失效。因此，可采取在大采高小煤柱回采巷道表面铺设金属网、锚杆托盘下安装钢筋梯梁或钢带使锚杆预紧力扩散到更大的范围、围岩均匀受力，从而增加阻止巷道浅部围岩变形的能力。

7) 向煤柱内部注浆，提高其承载能力。大量现场工程实践得出，采取向煤柱内注浆的措施可以充填、固结其内部的裂隙等弱面结构，进而提高煤柱的强度和稳定性，有利于巷道围岩控制。

5 结 语

由于大采高小煤柱回采巷道的围岩强度低且受矿压影响剧烈，因此应选择科学有效的支护方式和支护参数来控制围岩的变形与破坏，使巷道围岩保持稳定状态以满足回采要求。大采高小煤柱回采巷道保持围岩安全稳定的关键是通过锚杆支护及采取相应的技术措施提高帮部煤岩体的承载能力，形成稳定的支撑点承受上覆岩层回转下沉过程中施加的载荷。