动压煤巷变形破坏综合因素分析研究

邹海军

山西锦兴能源有限公司肖家洼煤矿，中国·山西 吕梁 033600

针对中国肖家洼煤矿动压煤巷支护难题，以211304辅运平巷为工程实例，论文从巷道布置、顶板岩性、煤层倾角、支护方式等方面综合分析复杂围岩环境下回采巷道变形破坏因素。得出相邻综放工作面悬顶、顶板泥岩、煤层倾角以及巷道支护参数综合作用是回采巷道出现底鼓、顶板下沉、两帮收缩并最终导致支护失效的主要原因。通过对211304辅运平巷变形破坏原因综合分析研究，为相似条件下的211305、211306 辅运平巷围岩控制提供依据。

动压；煤巷；应力；围岩变形；支护

1 引言

大跨度全煤巷道围岩稳定性是留煤柱放顶煤回采工艺中关键技术问题之一。对于单翼采区而言，一次全断面开挖，除自身围岩变形外，还要经历相邻工作面及本工作面两次采动影响，都可能导致巷道顶板大面积冒落、两帮破碎、底鼓等剧烈矿压显现，给回采巷道的维护带来困难。针对211304辅运平巷支护难题，通过对巷道变形破坏因素综合分析，基于一体化综合控制思路，确定巷道修复支护优化方案。

2 地质生产条件

肖家洼煤矿位于山西省吕梁市兴县境内，矿井设计生产能力8.0Mt/a，井田面积60.4km2，可采储量753Mt，服务年限69.8a。目前矿井正在回采8#煤11采区和13#煤21采区。回采巷道出现较为严重的矿压显现问题始于21采区211304辅运平巷。巷道净高3.5m，净宽5.4m，净断面积18.9m2，设计长度3155.5m。地面标高+1152.2～+1291.8m，井下标高+854～+907m。211304辅运平巷东邻211303综放工作面；西邻13#煤层未开采区域；南邻井田边界；北邻21采区辅运上山。211304辅运平巷布置如图1所示。

图1 211304辅运平巷布置示意图（1：211303综放工作面；2：211303胶运平巷；3：211304辅运平巷；4：保护煤柱）

从现场实际观测情况来看，简单地采取加强支护并不能从根本上解决巷道围岩变形问题，必须对巷道动压成因及传递规律进行分析，并采取针对性措施，这样才能从根本上解决问题[1]。

3 动压煤巷变形破坏因素分析

3.1 相邻工作面侧向悬顶因素

211303综放工作面进行大面积回采以后，采空区上覆岩层重量将向周围支承区转移，形成支承压力带。在工作面前方形成移动性支承压力，在工作面倾斜方向形成侧向支承压力，在工作面后方形成残余支承压力。211303综放工作面后方顶板能够及时垮落，而胶运平巷上方顶板却保持长距离悬顶，形成工作面与保护煤柱侧向支承压力的传输通道，211303胶运平巷与211304辅运平巷之间20m 保护煤柱赋存较大的支承压力，使得211304辅运平巷出现了底鼓、顶板坠包、两帮严重收缩等动压现象。

工作面回采后，采空区侧上覆岩体垂直于工作面推进方向的断裂剖面如图2所示。随着煤层采出，直接顶随之发生不规则的垮落下沉，与其上方的基本顶发生离层。基本顶在直接顶垮落后，发生断裂、回转或弯曲下沉，在采空区侧形成由断裂块体组成的相互铰接结构[2]。

图2 回采巷道侧向顶板破断规律（1：211303 采空区；2：20m 保护煤柱；3：211304辅运平巷；4：直接顶；5：基本顶）

保护煤柱处于悬臂下方，随着工作面不断向前推进，巷道悬顶长度不断加大，较长的厚层悬臂使煤柱承担过大的附加载荷，在应力传递转移作用下相邻回采工作面巷道围岩变形失稳，可见悬臂块体对于相邻回采巷道围岩稳定至关重要。块体主要包括3个基本尺寸：侧向断裂跨度D，沿工作面推进方向的悬顶长度L 和块体的厚度h。可用式（1）进行计算：

侧向悬顶长度L与侧向断裂跨度D，工作面长度S有关。采用控制变量法，在工作面长度S一定的条件下，侧向悬顶长度L与侧向断裂跨度D的关系如图3所示。

图3 侧向悬顶长度与侧向断裂跨度关系

如图4所示，依据211303综放工作面与211304回采巷道相对位置关系和生产地质条件，采用FLAC3D数值模拟软件建立计算模型。计算模型总体尺寸为300×100×106m，模型底面固定，4个侧面限制水平运动。模型以煤柱沿走向方向中点为原点布置测点，超前工作面范围为0～50m，滞后工作面范围为-50～0m，工作面每推进5m 记录一次测点塑性区、垂直应力、水平应力变化情况。

图4 数值模拟模型（1：211303综放工作面；2：211304辅运平巷；3：测点；4：20m 保护煤柱）

20m 保护煤柱不同宽度范围及211304辅运平巷采煤帮应力分布规律数值模拟分析结果如图5所示。

图5 放顶煤条件下20m 煤柱及巷道采煤帮不同高度垂直应力分布

由图5所示，测点位于工作面前方50m范围内时，煤柱垂直应力随工作面的推进呈动态非线性上升趋势。从图中可见，工作面位于测点前方40m处时，煤柱宽度10～20m范围垂直应力出现拐点下降，表明煤柱已卸压，巷道煤柱帮开始出现变形。

图6 放顶煤条件下20m 煤柱及巷道采煤帮不同高度水平应力分布

如图6所示，煤柱内水平应力随工作面的推进呈现出由慢到快、总体上升的非线性趋势。总体来看，巷道煤柱水平应力在工作面推过测点40m后，水平应力增长速率加大，并将保持长距离高应力范围，表明相邻工作面推进后方40m 开始，巷道围岩将在高水平应力作用下开始发生变形，直至破坏。

综上分析，相邻工作面悬顶距离过长对回采巷道维护是极为不利的，必须在悬顶造成回采巷道围岩变形之前，及时采取强制放顶措施，切断应力传递[3]。

3.2 顶板岩性因素

表1 211304 工作面顶底板岩性

3.3 煤层倾角因素

3.3.1 上帮重力沿层面的分力导致上帮墙体挤入

如图7所示，受煤层倾角影响，在巷道上帮重力沿层面的分力作用下，巷道上帮煤体始终存在向巷内移动和垮落的趋势，在不支护的条件下上帮煤体必然要向巷道内抽冒直至一定范围。

图7 回采巷道上帮受力

在支护构件对巷道顶部煤体控制较好的条件下，巷道上帮容易出现如图9所示的墙体挤入巷内的破坏形式，特别是在巷道顶部布置多根锚索而上帮煤体附近有弱面的条件下。在回采巷道存在弱面且支护不到位的情况下，巷道上帮也会出现煤体挤入的变形破坏。

3.3.2 全煤巷道四周来压变形破坏

如图8所示，在特厚煤层条件下，所掘巷道的顶板方向保留一定厚度的顶煤，由于煤层倾角问题，巷道底板可能留有一定量的底煤，这样布置的回采巷道在采动影响是四周来压，有可能锚杆支护系统没有失效而巷道失效，断面不能满足使用要求。由于底板一般不支护，四周来压底鼓更为突出。

图8 沿煤层底板掘进巷道四周全面来压

图9 巷道上帮受力挤入巷内的破坏形式

对于211304辅运平巷，在上区段工作面回采动压影响下，要承受比其它回采巷道更大的压力，如图9所示。采用与其它回采巷道相同的掘进方式与锚杆支护参数，巷道维护效果会大打折扣，因此可以考虑采用破底板掘进，使巷道上帮锚杆能够锚入到底板岩层中[4]。

4 结语

（1）21采区为单翼下行开采，相邻采掘工作面存在对采对掘问题，巷道从开掘到投入使用要经历掘巷蠕变，同时相邻211303综放工作面采用全部垮落法管理采空区顶板，12.8m厚的煤层采出后，在碎胀系数1.35的条件下将影响顶板36.6m厚的岩层，211303 工作面直接顶和基本顶分别为致密坚硬的厚层砂质泥岩、粉砂岩，在保护煤柱的支承作用下，211303胶运平巷采空区形成了厚度大、跨度长的侧向悬臂梁结构，在应力的转移传递作用下，间接对211304辅运平巷形成侧向动压影响，使得211304辅运平巷在滞后相邻211303综放工作面40m 开始出现巷道变形破坏现象。这是211304辅运平巷变形破坏的采掘接替、巷道布置因素。

（2）211304辅运平巷顶煤上方存在0～4.34m厚的泥岩伪顶，遇水膨胀使得锚索失效，同时使得巷道上方顶煤形不成支撑结构，而成为支护结构的载荷，出现顶板离层、下沉、变形、锚索拉断现象，这是211304辅运平巷变形破坏的岩性因素。

（3）受煤层倾角影响，在巷道上帮重力沿层面的分力作用下，巷道上帮煤体始终存在向巷内移动和垮落的趋势，尤其在有弱面存在的情况下，巷道变形更加突出，因此考虑巷道破底掘进，将锚杆锚固到底板岩层中，这是211304辅运平巷变形破坏的地质因素。

（4）211304辅运平巷动压影响期间，采用常规支护参数不能有效控制围岩变形，锚索拉断现象十分普遍，需要重新对动压巷道支护参数进行分析研究，优化支护参数，这是211304辅运平巷变形破坏的支护合理性因素。