庞庞塔矿北翼回风大巷围岩失稳破坏原因及支护技术研究

韩少林

（霍州煤电集团吕临能化有限公司庞庞塔煤矿，山西 临县 033200）

1 工程概况

霍州煤电集团庞庞塔煤矿位于山西省临县程家塔—吉家庄—阳泉村一带，井田平面形态基本呈一长方形，南北长约9km，东西宽约1.5km，面积13.2639km2。井田内含煤地层为太原组和山西组，主要可采煤层为 5上 #、5#、9#煤层。庞庞塔煤矿2017～2021年开采9号煤层，9#煤层赋存稳定，结构较复杂，平均煤层厚度11.8m，煤层内部含有一到两层夹矸；9-101综放工作面采用一次采全高综采放顶煤走向长壁采煤法。9-101工作面机采高为3.2m，割煤步距0.8m。9#煤层总厚度11.8m，采煤机割煤高度3.2m，放煤厚度8.6m，采用单轮顺序放煤步距0.8m，采放比1：2.69。9-101工作面西侧为矿井北翼的三条大巷，北部为采区边界，东侧为9-103工作面（未掘），南侧为一采区的三条上山。9-101工作面对应地表范围内北部为我矿煤场及保安煤柱，中部为104省道连接的庞庞塔沟内公路、庞庞塔沟内季节性河流。9-101推进方向和北翼回风大巷斜交，随着工作面的不断推进，北翼回风大巷和9-101工作面间的煤柱宽度逐渐减小，北翼回风大巷在9-101工作面回采期间围岩出现了明显的失稳破坏，为控制北翼回风大巷围岩的进一步破坏展开研究。

2 北翼回风大巷原有支护方案

庞庞塔矿9#煤层北翼回风大巷为矩形断面，断面尺寸宽×高=5.6×4.2m，沿9#煤层泥岩底板掘进，巷道围岩为松软破碎的煤体。北翼回风大巷原有支护方式为锚杆＋锚索+钢带+金属网联合支护。顶板锚杆采用φ22×2200mm的左旋螺纹钢高强度锚杆，锚杆间排距均为800mm，每排共七根锚杆，沿巷道中心线对称布置，托盘采用规格为150×150×8mm的蝶形托盘，锚杆间通过七孔平钢带连接，钢带宽度为100mm，长度为5000mm，所有锚杆均垂直顶板安装，锚固剂采K2335和Z2360树脂药卷各一支，顶板金属网采用由直径为6.5mm铁丝制成的网孔为150×150mm的菱形网。顶板锚索为Φ17.8×7300mm的1860钢绞线，锚固剂为两支K2335和一支Z2360树脂药卷锚固剂，预紧力不小于100kN，沿巷道中心线对称布置，每排五根，中心线处一根，靠近中心线两侧的两根间距为1600mm，肩角处的间距为1200mm，排距为1600mm，两侧肩角处的锚索向外侧倾斜15°安装。两帮支护采用锚杆的规格与顶板锚杆相同，每侧布置六根，靠近底角的锚杆安装时俯角为15°，其余锚杆垂直煤壁安装，两帮的金属网和钢带型号与顶板相同，钢带的长度为4000mm；支护完成后在北翼回风大巷围岩表面喷射厚度为100mm的C20水泥混凝土，北翼回风大巷支护详情如图1所示。

图1 北翼回风大巷原有支护方案

3 北翼回风大巷变形机理

根据庞庞塔矿北翼回风大巷面临的特殊地质条件，9-101工作面剧烈的采动影响对北翼回风大巷围岩的稳定性影响很大，为考察不同煤柱宽度条件下，9-101工作面回采对于北翼回风大巷稳定性的影响，采用FLAC3D数值模拟软件建立图2（a）所示三维数值模型[1～2]，模型长度为 230m，宽度 200m，高度70m，9#煤层平均埋深为650m，模型上部施加16.25MPa的均布载荷，模拟北翼回风大巷的尺寸宽×高=5.6×4.2m，模型边界条件：底板边界为固定边界，左右边界X方向位移受到约束，前后边界Y方向的位移受到约束，模型顶面为自由边界，模型的边界条件如图2（b）所示。9-101工作面与北翼回风大巷煤柱宽度分别为20～80m，每10m为一个梯度。

图2 模型示意图

对不同煤柱宽度条件下9-101工作面回采后，北翼回风大巷围岩的受力的位移情况进行统计，根据模拟结果，北翼回风大巷左帮煤岩体受力受到工作面的采动影响最为明显，由于篇幅所限，仅将北翼回风大巷煤岩体内应力的变化规律给出。由图3所示的结果可以知，煤柱宽度为20m～40m时，北翼回风大巷左帮煤柱内垂直应力呈单峰分布，煤柱内垂直应力最大可达31.5MPa，应力集中系数为1.80左右，此时工作面回采对煤柱内应力有很大影响；煤柱宽度为50m、60m时，煤柱内呈现增大—平稳—增大的趋势，距离巷道较近的煤柱内应力基本不受工作面回采的影响，但是远处煤柱内应力集中系数为1.6左右，此时工作面回采对巷道围岩稳定性存在一定影响；煤柱宽度为80m时，巷道左帮煤柱内垂直应力先增大后平稳，应力集中系数为1.05，说明此时工作面回采对巷道的稳定性基本没有影响。根据以上分析可知，9-101工作面与北翼回风大巷间煤柱的宽度对于巷道围岩的稳定性影响较大，当煤柱宽度小于50m时，巷道受到采动影响较大，煤柱宽度大于80m时，北翼回风大巷围岩基本不再受9-101工作面采动的影响。

图3 左帮煤岩体内垂直应力变化规律

4 北翼回风大巷围岩失稳治理措施及效果

4.1 保护煤柱宽度调整

根据前文的模拟结果可知，9-101工作面与北翼回风大巷间煤柱宽度的大小对巷道围岩稳定性影响很大，并且随着9-101工作面继续推进，煤柱的宽度会越来越小，北翼回风大巷围岩的变形会更加剧烈，为了维护该巷道在服务期间的安全使用，设计调整保护煤柱的宽度，原有设计的保护煤柱在9-101工作面停采线处仅有25m，该煤柱宽度条件下，北翼回风大巷的围岩破坏会很严重，因此为了增加保护煤柱的宽度，从9-101回风巷的C19点开始，将9-101回风巷向内侧偏移50m，措施巷也同时向内偏移50m，保证北翼回风大巷与9-101工作面间煤柱宽度在80m左右。9-101工作面回采巷道具体的偏移情况如图4所示。

图4 北翼回风大巷保护煤柱宽度调整示意图

4.2 北翼回风大巷加固

北翼回风大巷围岩位移严重的巷段和对应9-101工作面前方的巷段均需要修护和加固，根据其围岩失稳破坏的情况可知，北翼回风大巷失稳破坏主要表现为两帮内挤严重，因此需对两帮进行补强支护[3～4]。两帮原有支护为长度为2200mm的锚杆，支护效果很不理想，因此补强支护的锚杆长度增加为2600mm，并且巷道两帮为松软破碎的煤体，采用锚索支护预计会取得更好的围岩控制效果，补强支护的断面如图5（a）所示，由于锚杆锚索布置太过复杂，仅将补强支护的锚杆锚索给出，每排布置锚杆锚索共五根，交替布置，间排距均为800mm，锚索采用Ф17.8×5500mm的钢绞线，锚杆采用 Ф22×2600mm的螺纹钢，锚杆锚索通过规格为3400×180×5mm的W型钢带横向连接，靠近顶底板的锚杆（索）安装时仰角、俯角均为15°，北翼回风大巷补强支护的详情如图5所示。

4.3 北翼回风大巷围岩控制效果

调整北翼回风大巷煤柱宽度和补强支护后，对其巷道围岩的围岩情况进行监测，得到图6所示的结果，北翼回风大巷补强支护完成后，顶底板移近量约为10mm，两帮移近量为25mm，9-101工作面采动影响下，两帮移近增大至30mm，顶底板移近量增至13mm，总体而言，，巷道位移变形很小，围岩稳定性很好，能够满足其安全正常使用的需求。

图5 北翼回风大巷补强支护方案

图6 北翼回风大巷围岩位移变化特征

5 结 论

庞庞塔矿9-101工作面回采期间，其西侧的北翼回风大巷围岩出现明显的失稳现象，通过数值模拟、理论分析得知，北翼回风大巷围岩主要变形形式为两帮内挤，9-101工作面采动对巷道围岩稳定性影响较大，保护煤柱的宽度大于80m时北翼回风大巷基本不再受采动的影响，因此设计将9-101工作面的回风巷和措施巷内移50m，并采用锚杆锚索对北翼回风大巷补强支护，应用过程中进行围岩位移监测，北翼回风大巷受到9-101工作面采动的影响明显变小，两帮移近最大为30mm，顶底板移近量最大为13mm，能够满足其安全正常使用的断面需求，取得了良好的应用效果。