岩体应力条件对煤矿回采巷道支护变形和荷载的影响

于贵龙

河北冀中能源冀中股份段王煤业公司 山西晋中 045400

某矿采区先期采用条带式开采，主要开拓和准备巷道布置在主采煤层的顶板岩层中。轨道巷在掘进过程中及煤开采前，巷道支护状况较好[1]。煤回采后，轨道巷受煤多个工作面的采动影响，巷道变形严重，因巷道布置和煤柱留设等因素，某轨道巷仍将长期承受护巷煤柱引起的支撑压力影响，巷道变形会持续扩大[2]。因此，有必要分析轨道巷变形破坏机理，针对性开展应力巷道围岩控制的试验研究，以改善巷道的维护状况，减少巷道失修率，为矿井的安全高效生产奠定基础。

1 相关概述

1.1 矿岩工程地质特征

构成矿体的直接顶板、底板为凝灰质角砾岩、含砾凝灰质细粒砂岩、凝灰质中粗粒砂岩。其中凝灰质角砾岩，饱和状态下的抗压强度值为22.0-32.6MPa，平均值28.1MPa，软化系数为0.57，低于0.75，此类岩石属半坚硬－软弱岩类，易软化的类型；含砾凝灰质细粒砂岩、凝灰质中粗粒砂岩和凝灰质砂岩，饱和状态下的抗压强度值为14.0-39.0MPa，平均值29.8MPa，软化系数为0.64，低于0.75，此类岩石属半坚硬－软弱岩类，易软化的类型，稳定性较差。构成矿体的直接顶板或间接顶板的灰岩，风干状态下的抗剪强度，内摩擦角为41°38′，凝聚力系数为3.76MPa。岩石呈碎屑和大小不等、形态不同的岩块，此类岩石属软弱的岩类，易软化的类型，稳定性差。综上所述，矿区矿体顶、底板工程地质勘探类型属层状岩类，复杂程度为中等型[3]。

1.2 测量方法

首先，两个水井在回采巷道屋顶和侧壁Φ95mm直径和长度：10.0m，3.0m（图1中1和2项）的透度计测试。根据试验结果确定了所研究的回采巷道周围岩石的强度。在穿透仪测试完成后，将钻孔摄像机插入钻孔中，以评估回采巷道s周围岩体的裂缝[4]。第一次测量在长壁工作面前方约180m处进行，随后的测量在工作面接近时进行。在井下试验中，在采场顶板内的测点上使用了两个长度为2.4m、直径为22mm的仪器化钢锚杆（图1中第3项）。仪表式锚杆是一种用于测量锚杆中由于岩体位移而产生的轴向力的装置。这种类型的锚杆是建立在一个标准钢锚杆的基础上，其承载能力为180kN，应变片张力传感器已经嵌入。为了扩大与顶板岩层质量评价相关的地下测量，安装了三层高度指示器（图1中第4项）。稳定测量串的锚建在顶板岩石的三个高度上：2.0m、5.0m和10.0m。接下来测试的参数是SPN支撑载荷的测量。为此，四个液压测功的测量范围从0到600kN被用于测试和安装两个相邻的拱门下SPN集（图1中第5项）的支持。因此，它是可能的测量产生的反应部队岩体荷载作用于支持，长壁侧壁和对边。另外，特殊类型的测力计与长筋柔性螺栓一起安装在侧壁上（图1中项目6和7）。测力计应该指示水平作用的力。

图1 回采巷道371222测量站

图1所示中，回采巷道371222测量站方案：10.0m长钻孔，用于测透仪和内窥镜照相机；测透仪和内窥镜照相机钻孔长3.0m；2.4m仪表锚杆；三位置手动—读数指示器（10.0m、5.0m、2.5m）；液压测力计—地板；液压测功器—侧壁；长筋柔性螺栓；水平和垂直收敛测量点；安装应力测量探头的钻孔。在巷道中也测量了巷道的高度和宽度（收敛）的变化（图1中项目8）。这些测试的目的是确定接近的长壁工作面对巷道变形大小的影响。

2 岩体应力条件对煤矿回采巷道支护变形和荷载的影响分析

2.1 巷道变形破坏原因分析

根据某采区实际地质采矿条件、巷道围岩变形破坏特征及现有开拓巷道锚网支护失效形式，结合理论分析结果可知，高应力软岩巷道围岩强烈变形的主要原因有以下几个方面：①巷道围岩体强度较低。某轨道大巷布置在煤顶板岩层中，巷道所处岩性大多以泥岩或岩浆岩为主，由于围岩的物理力学性质较差，且岩体中节理裂隙较为发育，围岩强度不足以支撑较强的应力变化。②工作面回采造成应力集中。轨道大巷经受两次动压影响，围岩应力增幅较大，且长期承受护巷煤柱引起的支撑压力影响，围岩发生应变软化，相应的围岩松动圈范围较大，极易失稳破坏。③支护措施不合理。某轨道巷为直墙半圆拱形巷道，巷道设计净断面尺寸为4.0m×3.6m，巷道采用锚网索支护，局部破碎区域采用注浆加固。在松软破碎围岩中，围岩本身的可锚性差，高强树脂锚杆的锚固性能难以发挥，特别是在围岩松动范围大、顶板围岩松散破碎的情况下，围岩本身的自稳能力较差，允许空顶时间较短，完全使用锚杆支护的效果并不好。④底板无控底措施。作为一个支护承载体，由于巷道未采取控底措施，高应力作用下底板先成为巷道变形、破坏的突破口，进一步加剧巷道顶板和两帮的变形[5]。因此，有必要针对某轨道大巷的支护工艺开展系统研究。根据巷道形态，针对性制定联合支护设计，从根本上改变巷道支护状况，改善围岩应力环境，保障轨道大巷的围岩稳定性，为巷道的长期使用营造良好条件[6]。

2.2 回采巷道布置区域应力改变率分布

对于近距离煤层群开采，在上部煤层煤与下部煤层开采后，煤层的垂直应力，在中部煤层不同部位存在应力增高区与应力降低区，应力峰值可达到30MPa。以下部煤层工作面两侧煤壁为边界，错距在-5m～5m（采空区外侧为负，内侧为正）为应力增高区，若不考虑应力变化率的影响，回采巷道只需布置在采空区内侧或采空区外侧煤壁5m处即可。由应力变化率公式处理测线应力数据分析，工作面两侧煤壁界限，黑色虚线为垂直应力改变率拐点，在煤壁边界两侧的黑色虚线之间垂直应力不均衡程度较大，不适合布置回采巷道。采空区内侧30m及煤壁侧5m外垂直应力变化率较低且在一定区域内趋于稳定，在上部煤残留煤柱。煤壁影响的区域垂直应力变化率又变得很大且不稳定。所以，根据垂直应力变化率分布的情况，中部煤层煤回采巷道的布置应该内错30m或者外错10m。结合对垂直应力分布及垂直应力变化率的分析，以下部煤层工作面两侧煤壁为界限，上部煤层煤与下部煤开采后，沉降位移不会对回采巷道布置产生较大影响，以工作面两侧煤壁为界限，煤壁侧0～25m和采空区10～20m范围内是裂隙富集区域，所以结合裂隙、应力的综合考虑，中部煤层回采巷道应该外错25m或者内错30m布置。

3 回采巷道顶板变形控制

3.1 高预紧力、高强度支护原则

由于工作面回采巷道处于高应力区、煤层结构复杂且围岩强度低、破坏严重，采用高预紧力支护不仅能够减小巷道的早期变形，防止松散破碎圈的进一步增大，而且能够及时、主动地为巷道顶板的初期变形提供围压，从而有效控制顶板离层，消除顶板拉应力区，增强其巷道围岩承载能力，显著提高含软弱夹层顶板锚固体的强度，有效控制巷道顶板的变形失稳。同时，在地质条件复杂、高围岩应力的条件下，高支护强度能够为围岩提供高围压约束，抑制含有软弱夹层巷道顶板的过度变形、破坏，使其与煤层赋存的高应力环境相适应。

3.2 整体差别支护

煤层回采巷道顶板、煤帮、底板支护均是支护系统不可或缺的组成部分，三者任何一方面均不可忽略。但与巷帮和底板相比，其顶板常含有软弱夹层，节理裂隙较发育，围岩变形严重，塑性破坏范围大，支护过程中应注意顶板加强支护，促使顶板围岩及锚固体形成整体协调的结构[7]。

3.3 优化支护方案

锚索是由钢铰线组成的柔性支护材料，锚索与锚杆相比，可以发生一定程度的弯曲且长度不会受到所处空间的制约。由于锚索自身具有较强承受载荷的能力，在矿井支护中一般都会将锚杆与锚索配套使用。但是锚索的使用受到价格的制约，锚索位置的选择尤其重要，锚索布置位置合理可以对顶板和底板控制起到关键作用。具体优化支护方案为：锚杆预紧力55kN，锚杆锚固剂选择的是树脂药卷，采用铁质托盘与木质托盘组合的方式与锚杆配套使用，木质托盘长150mm、宽150mm、厚30mm，铁质托盘长120mm、宽120mm、厚10mm。底角倾斜锚杆选择的是直径34mm、长度2000mm的无缝钢管，排距为800mm，水平夹为15°，配套使用金属网。

3.4 回采进路破碎围岩支护方案

矿山回采进路围岩为半坚硬－软弱岩体，局部位置围岩较破碎或极破碎，使生产过程中回采进路冒顶、片帮事故时有发生；且回采进路围岩受采动爆破影响明显，后排中深孔易受采动影响而出现塌孔、堵塞，进而影响到后排中深孔爆破效果[8]。所以，在受采动爆破影响严重、围岩破碎的回采进路，宜采用摩擦型锚杆或可缩性钢架等支护形式。而可缩性钢架支护作业时间长、成本高、劳动强度大，故优先选用管缝锚杆。考虑到进路围岩裂隙水发育，为防止管缝锚杆过早发生锈蚀造成其支护效果降低，可对管缝锚杆杆内加注水泥砂浆，水泥砂浆强度等级为M20。

3.5 监测设备布置

为获得完整的数据，测站监测内容包括：①顶板岩层位移监测；②巷道围岩表面位移监测；③巷道区段煤柱侧煤体垂直应力监测，①顶板煤岩体深部位移监测。在巷道顶板围岩内部布置钻孔，钻孔内安设有5个锚固点的多点位移计，锚固点的深度分别为1m、2m、4m、7m及10m，以此方法记录巷道顶深部岩层位移数据。②巷道帮部煤体应力监测。在巷道区段煤柱帮部煤体内部布置钻孔，钻孔内安设液压枕，记录帮部煤体的垂直应力变化情况。在每组测站位置，9个钻孔应力计打设到区段煤柱的煤体内，相邻应力计间距为0.8m。

4 结语

总而言之，在煤巷支护中，由于支护形式、支护参数不合理，不能有效控制围岩松动圈的范围，导致围岩整体性差、围岩不稳定、变形较大，造成围岩支护失效的问题。运用数值模拟、理论分析、工程类比等方法，科学合理地优化支护参数，充分发挥支护的主动性，充分调动围岩本身承载能力，尽可能扩大锚索和锚杆控制松动圈的范围，从而更加科学、合理地解决巷道变形严重甚至失稳问题。