近距离多煤层采动影响巷道围岩控制技术研究

李元武

（霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司木瓜煤矿，山西 方山 033100）

煤炭是我国的主要消费能源之一，煤炭的安全高效开采关系到国民经济的快速发展[1-2]。我国煤炭以井工开采为主，需要掘进大量的巷道。相关资料显示，我国每年掘进的巷道高达数万公里。为保证巷道服务期内的安全稳定，国内外专家进行了大量研究，其中，锚杆（索）具有成本低、劳动强度低、安全性好的优点，成为我国煤矿巷道主要的围岩控制形式之一。虽然锚杆技术在近数十年来取得了显著的进步，但是针对地质条件复杂的巷道，其相关的围岩控制理论仍存在空白，亟需进行进一步研究[3-4]。在近距离煤层开采中，巷道围岩变形主要是由采掘扰动等引起的，而目前对于近距离煤层采掘扰动巷道围岩稳定控制相关理论技术相对较少[5-6]。

1工程背景

木瓜矿10-100 工作面位于+940 m 水平一采区，地面标高+1053～ +1203 m，井下标高+846～ +972 m。10-1002 巷为10-100 工作面辅运回采巷道，沿10#煤顶板掘进，位于一采区准备巷道左翼，上部为实体煤（9#煤层）。该巷道以东145 m 为南区集中皮带巷，以南为实体煤，紧邻一采区边界，以西为实体煤，以北为一采区三条大巷。掘进区域与上部9#煤层间距为1～8 m，平均4.5 m，采掘区域南部切巷附近层间距较薄；向北部巷口方向层间距逐渐增加到7～8 m，图1 给出了10-1002 巷采掘剖面示意图。工作面整体为一背斜构造，煤层平均厚度为2.85 m，倾角4°～8°，平均6°。煤层结构复杂，中部夹三层炭质泥岩，煤层厚度变化不大，属较稳定煤层。基本顶为灰岩，厚度3.4～6.1 m，平均厚度4.75 m，深灰色，质较纯，参差状断口，泥质胶结，坚硬；直接顶为泥岩，厚度3.0～3.45 m，平均厚度3.23 m，黑灰色，质软性脆，致密，含煤屑及植物化石，平坦状断口；直接底为泥岩，平均厚度0.8 m，黑色，致密，块状，平坦状断口；基本底为泥岩，平均厚度2.84 m，黑灰色，质软性脆，致密，含煤屑及植物化石，平坦状断口。

图1 10-1002 巷采掘剖面示意图

2 近距离多煤层采动影响巷道围岩控制技术

根据试验巷道地质条件，试验巷道处于上覆9#煤层实体煤下部，但其受上部侧向采动影响，巷道顶板岩层本身强度较低。因此，以变被动为主动控制的设计原则，采用高预紧力锚杆实现对顶板的主动控制，且采用预应力锚索300 mm×300 mm×16 mm 的钢板作为托板构件，将有效扩大护表面积及提高主动控制强度，充分发挥锚索整体悬吊补强控制作用。锚梁采用12#钢筋焊接制作的双筋梯子梁，具有加工简单、可弯曲性较好、实用方便、价格便宜等优点。金属网采用12#铅丝制作的菱形金属网，可以防止破碎岩块的垮落，有效控制浅部围岩的破坏，对于表面围岩提供一定的约束力。因此10-1002 巷采用“锚网梁+锚索”联合支护形式，巷道掘进宽度4.8 m，掘进高度3.2 m，具体支护参数如下：

（1）顶板支护。顶板锚杆采用规格为Φ20 mmL2000 mm 的左旋螺纹钢锚杆，间排距为880 mm×800 mm，每根锚杆各配套1 支CK2340 和Z2360 树脂锚固剂，同时配套规格Φ130 mm×8 mm×22.5 mm 的冲击碟形垫片；顶板锚杆采用锚梁成排连接，锚梁采用12#钢筋焊接制作的双筋梯子梁，长度均为4600 mm（6 孔，孔距为880 mm）；顶板采用锚索加强支护，锚索采用规格Φ18.9 mmL6200 mm 的预应力钢绞线，间排距1500 mm×1600 mm，每根锚索配套2 支CK2340 和2支Z2360 树脂锚固剂，配套300 mm×300 mm×16 mm的钢板托盘；金属网采用12#铁丝编制的菱形网，规格为4800 mm×1000 mm，横向铺设。

（2） 帮 部 支 护。 锚 杆 采 用 规 格 为Φ16 mmL1500 mm 的圆钢小花锚杆，间排距为1200 mm×1600 mm，每根锚杆各配套1 支CK2340 树脂锚固剂，同时配套规格Φ130 mm×8 mm×16.5 mm 的冲击碟形垫片；帮部锚杆采用锚梁成排连接，锚梁采用12#钢筋焊接制作的双筋梯子梁，长度均为2600 mm（3 孔，孔距为1200 mm）；金属网采用12#铁丝编制的菱形网，规格为2800 mm×1000 mm，竖向铺设。巷道支护断面图如图2。

图2 巷道支护断面图

3 巷道围岩采动变形特征与控制效果分析

近距离多煤层采动影响巷道围岩控制技术应用于木瓜矿10-1002 巷，巷道掘进期间顶底板围岩变形较小（顶底移近量小于50 mm，两帮移近量小于80 mm），巷道变形主要发生在10-100 工作面采动过程中。图3 和图4 为2 个巷道围岩变形测站的巷道在采动影响时的围岩累计位移和变形速度曲线图。由图可知，巷道围岩累计位移和变形速度随超前工作面范围减小而逐渐增加，根据曲线分布特征可将巷道变形大概分为3 个区域：采动缓慢变形区域、采动快速变形区域、采动强烈变形区域。采动缓慢变形区域为超前工作面40 m 范围外，该区域内巷道累计位移和变形速度均较小，巷道受工作面采动影响较小，其变形速度在3 mm/d 以下，围岩累计位移不超过100 mm；采动快速变形区域为超前工作面20～40 m 范围内，该区域内巷道受工作面超前采动影响，巷道累计位移和变形速度均有明显增加，其变形速度由3 mm/d 增加至10 mm/d 以上，围岩累计位移在150～200 mm 之间；采动强烈变形区域为超前工作面20 m 范围内，该区域巷道围岩变形速度最快，巷道围岩受采动影响明显，出现严重变形现象，巷帮和顶板岩层均出现不同程度的鼓出现象，最大累计位移达350 mm，最大变形速度达30 mm/d。

图3 测站1 巷道围岩累计位移和变形速度曲线图

图4 测站2 巷道围岩累计位移和变形速度曲线图

综上所述，试验巷道服务期内的围岩变形均在允许范围内，表明采用开发的控制技术有效控制了木瓜矿近距离多煤层采动影响巷道，实现了工作面的安全高效回采，对类似矿井巷道支护技术的确定提供借鉴。

4 结论

近距离多煤层采动影响巷道围岩易产生大变形现象，以木瓜矿10-1002 巷为工程背景，以变被动为主动控制的设计原则，采用高预紧力锚杆实现对顶板岩层的主动控制，同时采用预应力锚索及大尺寸托板构件提高护表面积，约束表层围岩变形。基于此，开发了近距离多煤层采动影响巷道围岩控制技术。技术应用后，实现了近距离多煤层采动影响巷道的有效控制。