燕子山矿“多重”应力叠加环境下围岩控制技术

王 镇

（晋能控股煤业集团有限公司燕子山矿，山西 大同 037037）

1 工程概况

8210 工作面位于山4#层302 盘区，西部为山4#层可采边界线，北部为8212 采空区，东部为山4#盘区巷，南部为实煤区。工作面标高924～968 m，走向长度2756 m，倾向长度180.5 m，倾角3°，面积497 458 m2。

本工作面周围及上下层开采关系：山4#层8210 工作面对应上覆为马脊梁矿侏罗系11#层8507～8501、8301～8305（综采）及泉子沟煤矿、马脊梁矿公司井采空区（刀柱式开采），煤层厚 度3.83～4.00/3.94 m，14-2#层8511、8509、8301～8311、8101 采 空 区（综 采）及 小 蒜 沟 煤矿、黄土沟煤矿采空区（刀柱式开采），煤层厚度4.47～4.76/4.60 m。山4#层 与11#层 层 间 距 为184～209/199 m，与14-2#层层间距为168～183/177 m。8210 工作面层间对照图如图1。

图1 8210 工作面层间对照图

2 应力环境分析

2.1 同层及上覆关系

同层为：相邻工作面8212 工作面于2018 年7月份停采，本工作面于2020 年1 月份开采，8212工作面采空区影响5210 巷范围为采位237～2590 m。8210 工作面尾超前受采动影响：尾超前25 m巷道出现底鼓和顶板下沉，顶板钢带变形，尾超前25～100 m 范围巷道顶板出现网包和裂缝。

上覆关系：从层间对照图中可以看到上覆煤柱分布范围最广的为14-2#层，基本全是面间煤柱，与本工作面成垂直布置，影响范围为20～74 m 不等。

2.2 应力分析

8210 工作面尾巷同时受到上覆煤柱应力、临空应力及本工作面超前应力“多重”应力共同叠加影响[1]，而且是一动两静。随着工作面的推进[2]，超前支承压力的变化势必会引起已经处于平衡状态的上覆应力及临空应力的突变，造成一个短暂的应力突然释放，对于巷道的维护十分困难[3]。巷道最严重的矿压显现十分明显，最大时的变形量超过断面的1/3。

3 设计方案

在原先超前支护的基础上，通过“增加锚索钢梁、木垛加强支护+施工卸压槽释放压力”的治理思路进行处理。具体方案如下：

（1）原支护形式

掘进期间巷道支护：巷道为矩形断面，巷道断面规格宽4.0 m，高3.3 m，顶板采用锚杆、锚索和金属网混合支护，支护的形式为四排锚杆支护，锚杆规格为Ф20 mm×2400 mm，间距为1000 mm，排距为900 mm；两排锚索支护，锚索规格为Ф17.8 mm×7000 mm，排距为2000 mm，间距为3000 mm。两帮采用锚杆与金属网混合支护，支护形式为三排锚杆支护，锚杆规格为Ф18 mm×1700 mm，上排锚杆距顶板600 mm，间距为1000 mm，排距1000 mm。5210 巷支护断面图如图2。

图2 5210 巷支护断面图（mm）

回采期间超前支护：三梁三柱，支护范围100 m，支护材料采用DW-X45 型单体柱支护配1.0 m 长π型梁，柱距1m，排距1.05 m。5210 超前支护示意图如图3。

图3 5210 超前支护示意图（mm）

（2）加固方案

支设木垛：沿煤柱侧支设“#”字垛，外间距2 m，使用1.0 m长道木构筑#字垛。若顶板压力持续增大，尾超前巷道高度低于1.8 m 时，再根据现场情况调整支护方式，如沿工作面侧再补打一排木垛。

钢梁锚索：施工倾向钢梁，使用3.5 m 长3眼钢梁，眼距1.5 m，钢梁搭接布置；锚索规格Ф17.8 mm×6300 mm。5210 巷加强支护示意图如图4。

图4 5210 巷加强支护示意图（mm）

（3）卸压槽

结合现场情况，考虑为“多重”压力叠加，应力的增加不是简单的倍数关系，再加上工作面超前应力动态变量[4]，将会引起稳定平衡应力的突然释放，再大的支护强度将难以抵抗这个突变，一味地抵抗不如先抵抗后释放，故而在原先加强支护的基础上增加了卸压槽[5]，以此来释放一部分压力，尤其是瞬间突变的应力。

对应上覆为马脊梁矿14-2#层8303-8311、8101-8301 面 间 煤 柱， 采 位1065～1095 m、1240～1314 m、1460～1480 m、1628～1648 m、1800～1820 m、1972～1992 m 等范围施工卸压槽，规格500 mm×500 mm，距工作面侧600 mm。卸压槽示意图如图5。

图5 5210 巷卸压槽示意图（mm）

4 现场效果跟踪

（1）由于前期采取的措施只是简单的补强支护为锚索钢梁+木垛，跟踪一段时间后，效果不理想，虽得到一定的控制，但是强矿压显现时有发生：多处锚索、锚杆断裂，钢带断裂，甚至锚索索头被压出、底鼓严重，超过1.0 m，支设的木垛被压扁等。

开挖卸压槽之后，卸压槽有效地吸收“多重”应力的突变释放，减少了对原支护及围岩的载荷，使得支护既能抵抗压力又不失效。期间通过巷道位移观测的方法对巷道进行了矿压观测，其观测对比结果如下：经对治理前后超前100 m 范围内设置的10 个巷道位移观测点收集数据对比分析，如图6，卸压槽吸收了绝大部分的底鼓量，巷道底板的底鼓量明显减少，经连续实测之后巷道的变形量也明显减少，顶底板移近量由最大的1400 mm 减少为400 mm，两帮移近量也由1000 mm 减少为400 mm。

图6 5210 巷超前100 m 治理前后巷道位移数据对比图

同时，锚杆、锚索、钢梁断裂的情况明显减少，只有局部钢带弯折、顶板出现网包。现场效果十分明显，在保证安全开采的前提下，有效地提高了回采效率，为保障矿井的产量提供了有力的支撑。

5 结论

（1）针对“多重”应力叠加突变等环境下的巷道维护，“强支+卸压”的治理方案较一味“强支”的效果更佳。

（2）强支可以有效地提升围岩的自身承载能力，抵抗高应力环境，但是对于变化的，尤其是突变的应力环境适应性不大，而卸压能有效地消耗掉突变的应力，很好地适应突变的应力环境。

（3）面对底鼓量大，后期处理存在加大安全隐患的问题，通过提前施工卸压槽的方法，一是可以减少底鼓，二是可以将多余的底鼓浮渣回填，减少处理底鼓的工作量及提高安全性。