煤矿构造应力区巷道支护技术研究

王 鑫

（阳煤集团寿阳开元矿业有限责任公司，山西 晋中 045400）

开元矿井田位于沁水煤田西北端，井田内陷落柱发育，根据历次地质勘探（包括物探）和历年采掘工程揭露情况，井田内共发育陷落柱258 个，陷落柱密度9.2 个/km2，陷落柱规模大小不一，一般为圆形、椭圆形。

随着煤矿开采逐步向深部发展，煤层赋存越来越复杂，地质构造的存在严重影响着矿井的安全高效生产，尤其是穿过断层、陷落柱及其影响带内的巷道支护是一个需要解决的重要问题[1]。因此，要加强对陷落柱分布规律的研究及分区的预测，为矿井安全生产提供依据。

1 工程概况

开元矿业有限责任公司的3903 工作面开采沁水煤田的3 号煤，3903 工作面采用双“U”型布置方式，工作面面长230 m，走向长1 490 m。煤层埋深375～392 m，平均埋深385 m，煤层厚度为2.1～2.5 m。3903 绕道断面为矩形，宽×高为5 m×2.8 m。切巷前方300 m 处煤体有一个陷落柱，大小达到65×80 m2，且陷落柱周围煤层变薄，不足1.5 m，影响范围达到16 000 m2，为避免对工作面回采造成影响，计划做绕道避开陷落柱影响范围。绕道位于切巷前方165 m 处，由于3903工作面瓦斯治理措施采用的是回风侧接瓦斯管进行抽采，需要在抽采措施巷和回风巷之间每隔50 m 施工一条联络巷，但绕巷处施工联络横贯间距较大，且位于构造区域，需要开掘大量的岩巷，施工工程量大、工期长，而且会产生大量矸石，影响工作面的衔接。为满足工作面后方通风，需要对绕道进行高水材料巷旁充填，采用高水材料巷旁充填沿空留巷技术可将工作面由两进两回“双U”布置方式调整为两进一回“Y”布置方式。3903 工作面与陷落柱关系如图1所示。由于3903 绕巷需进行沿空留巷，回采期间需受工作面超前支承压力及大型陷落柱构造应力的影响，巷道布置必须避开陷落柱及回采侧向支承压力应力集中区，使之处于应力降低区内[2]。3 号煤层顶底板岩性及综合柱状如图2所示。

图1 3903 工作面与陷落柱关系

图2 3 号煤顶底板柱状图

图2 3903 绕巷支护断面

2 构造应力对巷道布置的影响

采掘活动会使原岩应力的平衡状态受到破坏，同样，在稳定煤层中出现断层、陷落柱等构造时，煤层顶板出现断裂，导致应力传递出现阻隔，上覆岩层的部分重量会转移到周边的煤壁，使相邻煤壁受力增加并出现内移现象，即应力集中及应力重新分布。有学者研究表明，随着开采深度的增加，岩层压力增长迅速，构造应力也随之显著增长，构造应力的方向性变得明显，并且两个水平构造应力的差值变化越来越大，导致应力场带有明显的方向性，给矿井巷道布置及煤炭开采造成了严重困难，且还存在很大的安全隐患。

在大型构造区附近，必须考虑构造应力场的影响，尤其是水平构造应力的影响，研究显示，最大水平应力通常为垂直应力的0.5～5.5 倍，如果不考虑构造应力对巷道的作用力，往往会造成巷道的失稳破坏和工作面的压架等，使矿井无法进行正常生产[3]。因此，必须对构造应力的影响、进行详细分析，寻求合理的巷道布置和支护方式，保证巷道掘进和工作面开采期间的稳定性。

3 构造应力场中巷道支护技术研究

从煤层柱状可以看出，3 号煤层顶板是比较坚硬的砂岩，底板以泥岩、砂质泥岩为主，属软弱岩层，而且泥岩存在遇水容易膨胀的问题，位于陷落柱应力影响范围内，受回采动压影响，极易导致巷道底板底鼓现象严重，底鼓变形较大会使得巷道断面迅速缩小，对工作面回采沿空留巷期间通风断面影响很大[4]。因此如何有效控制3903 绕巷围岩变形是保证回采的必要条件，掘进施工期间必须合理确定支护设计，减低围岩的收敛速度及收敛量，同时确保后期在构造应力及回采侧向支撑压力的影响下，锚索、锚杆联合支护能有效控制巷道围岩变形量。

根据前文分析，构造应力对巷道的主要影响是水平应力较大，巷道围岩的力学性质容易改变，所以构造应力场中巷道锚杆、 锚索联合支护应采用高预紧力支护系统，变被动支护为主动支护。由于锚索的支护优势在于其高抗拉强度，但其抗剪强度却很低，仅是其抗拉强度的1/5～l/10。由于锚索与孔壁之间的间隙很小，顶板岩层稍有移动，锚索就易受到剪切破坏，所以顶板支护必须锚杆配合锚索联合支护，顶锚杆杆体选用抗剪切能力强、刚度大的，帮锚杆杆体选用抗拉伸能力强、延展率大的材料[5]。

3903 回风顺槽设计帮锚杆的预应力矩为300 N·m，根据现场观测及矿压监测分析，对于围岩松软段，加之后期风化、洗巷淋水等原因导致岩石破碎后，锚杆托盘无法紧贴岩面，造成锚固预应力降低，严重的会使锚杆彻底失效。

相比锚杆，锚索的强度、预紧力较大，而且长度可以是普通帮锚杆的两倍，对于特殊地质构造所形成的松动圈的加固平衡拱承载能力也更大，巷道两帮的煤体可以承载更大的应力，也可以很好地抵御围岩变形。

针对以上情况，结合3 号煤顶底板岩性，3903绕巷支护设计为：采用锚杆、锚索、金属网、W 钢带联合支护。顶板支护方式： 使用长4.8 m 的五眼W 钢带，钢带上锚杆、锚索采取“五花”布置方式，排距0.8 m；两帮支护方式：每帮布置3 根，间距为0.9 m，北帮（陷落柱帮）布置一至两根帮锚索，形成“三花”布置方式。锚杆锚固力不小于120 kN，锚索预紧力不小于230 kN。3903 回风绕巷支护设计如图3所示。

通过研究煤层顶底板岩性，使用高预紧力、高强度锚杆、锚索联合支护，采用4.2 m 帮锚索加强煤帮支护强度，使得帮锚索通过围岩松动圈深入煤岩层深部，及时变被动支护为主动支护[6]，给围岩一定的预压应力，以约束巷道围岩特别是煤帮的塑性变形，并使顶板的垂直应力转移到巷道两侧煤体纵深，最终提高围岩的抗变形能力。

4 工作面绕采期间矿压显现规律

简单分析3903 工作面绕采期间的矿压显现规律，工作面推进至3903 绕巷处及其前后范围内，工作面及巷道交叉处开始发生围岩应力集中现象，存在局部顶板破碎及底鼓，工作面推进至绕巷后，在工作面后方20 m 左右，绕巷顶板下沉较为强烈，有明显动压现象。随着工作面的推进，距工作面后方50 m 左右的范围内，顶板下沉活动较前一阶段缓和，但顶底板移近量持续增加，50 m以后，绕巷上覆岩层活动趋于稳定。结合3 号煤工作面来压步距一般为15～25 m 进行分析，随着工作面的缩短，工作面来压步距增大至25 m 以上，受采场关键层岩块旋转下沉影响，巷道围岩变形较大，顶板下沉量明显，但由于巷道顶帮支护合理，顶板和煤帮处于应力平衡状态，满足了安全生产需要。

5 结论

1）针对3903 工作面存在大型陷落柱，分析了构造应力对巷道布置及支护方式的影响，矿井深部构造应力主要是水平应力影响较大。

2）通过分析构造应力对巷道围岩的影响，考虑到巷道围岩变形量要求，采用了强度高、延展率好的锚杆和锚索进行联合支护变被动支护为主动支护。

3）通过对工作面绕采期间的矿压规律进行观测，工作面推进50 m 以后，3903 回风绕巷上覆岩层活动趋于稳定，合理的支护方式可以确保巷道顶板和煤帮变形可控。