王庄煤矿构造应力扰动下大断面巷道围岩控制技术研究

2024-02-27杜晓刚

山东煤炭科技 2024年1期

杜晓刚

（山西潞安环保能源开发股份有限公司王庄煤矿，山西长治 046000）

煤矿巷道支护的根本目的是确保巷道围岩不发生过量位移，而构造应力的存在往往导致大断面巷道围岩完整性差，容易造成巷道冒顶及片帮等矿压事故[1-3]。针对大断面巷道，查明其构造应力扰动下的巷道变形特征，并合理制定围岩控制方法尤为重要[4-5]。郝世维[6]设计了过断层构造带巷道支护方案与参数，实现了18502 工作面辅运巷围岩变形可控；王鑫[7]分析大型陷落柱构造应力对巷道围岩应力的影响，提出了帮锚索配合锚杆的联合支护方法；杨静[8]针对深部构造发育区回采巷道支护难度大的问题，提出了深部开采的围岩控制的新思路和适用于大塑性区特征大变形的支护技术；李永刚[9]为解决断层+背向斜构造条件下巷道变形难题，提出“W钢带、金属网、锚索、锚杆”的联合支护方式，巷道变形得到有效控制。以王庄煤矿3#煤层9105 工作面为工程背景，在分析构造应力扰动下大断面巷道变形特征的基础上，针对大断面巷道提出切实可行的围岩控制技术，以实现工作面安全高效回采。

1 工程概况

王庄煤矿主采3#煤层9105 工作面，煤层平均厚6.52 m，倾角为2°～12°，井田内不存在陷落柱及岩浆岩侵入情况，煤层瓦斯含量较低，属于低瓦斯矿井。煤层顶底板情况见表1。9105 工作面煤层整体东北向西倾斜的单斜构造，工作面为南北布置，切眼长339 m，可采长度风巷与运巷分别为3432 m 和3432 m。

表1 煤层顶底板情况

王庄煤矿9105 工作面受到地质构造影响的巷道在不断地增多，这类巷道因构造应力的作用和岩体力学特性差，运输巷道出现严重变形、冒落、反复返修等一系列问题。目前，巷道断面尺寸为宽×高=5.6 m×4.2 m，通过现场监测，巷道顶板下沉量为316 mm，底板底鼓量为148 mm，回采帮变形量为205 mm，煤柱帮变形量237 mm，对工作面安全回采构成严重威胁。为保证矿井的安全生产，为今后的巷道布置、支护设计等提供基础参数，特开展构造巷道应力分布特征及围岩控制技术研究，以解决地质构造巷道稳定性问题，保证巷道安全。

2 构造应力扰动下大断面巷道变形特征分析

2.1 数值模型构建

王庄煤矿9105 工作面顶板属于典型的膨胀性软岩，巷道围岩力学性质能极大地影响巷道稳定性，研究采用FLAC3D软件分析大断面巷道变形特征。构建数值模型长×宽×高=50 m×30 m×50 m，模型底部固定，两侧边界进行位移约束，设置上覆岩层自重为7.5 MPa，共划分为637 500 个单元。岩体力学参数见表2。

表2 岩体力学参数

2.2 巷道宽度影响分析

由于王庄煤矿9105 工作面运输巷属于大宽度条件巷道，为研究巷道宽度对围岩变形的影响，首先固定巷道高度为4.5 m，对巷道宽度分别为4.0 m、4.5 m、5.0 m 和5.5 m 进行模拟分析，不同宽度条件下巷道围岩变形情况如图1 所示。随着巷道宽度增加，巷道顶底板变形大于两帮变形。当巷道宽度为4.0 m 时，顶底板移近量为275 mm，两帮移近量为236 mm；当巷道宽度为4.5 m 时，顶底板移近量为315 mm，变形量增加14.5%，两帮移近量为265 mm，变形量增加12.3%，巷道变形小幅度增加；当巷道宽度为5.0 m 时，顶底板移近量为388 mm，变形量增加23.1%，两帮移近量为332 mm，变形量增加25.3%，巷道变形增加幅度较大；当巷道宽度为5.5 m 时，顶底板移近量为450 mm，变形量增加15.9%，两帮移近量为435 mm，变形量增加31%，巷道变形幅度继续增加。可以看出，当巷道宽度不大于4.5 m 时，巷道整体变形幅度较小，宽度超过4.5 m 后，巷道变形大幅度增加。

图1 不同宽度下巷道围岩变形情况

2.3 巷道高度影响分析

为了重点分析巷道高度对围岩变形的影响，固定巷道宽度为4.5 m，对巷道高度分别为4.0 m、4.5 m、5.0 m 和5.5 m 进行模拟分析。不同高度条件下巷道围岩变形情况如图2 所示。随着巷道高度的增加，与不同宽度条件巷道变形不同，当巷道高度大于宽度后，巷道变形表现为两帮大于顶底板。巷道高度为4.0 m 时，顶底板移近量为285 mm，两帮移近量为246 mm；当巷道高度为4.5 m 时，顶底板移近量为315 mm，变形量增加10.5%，两帮移近量为265 mm，变形量增加7.7%，巷道变形幅度增加较小；当巷道高度为5.0 m 时，顶底板移近量为348 mm，变形量增加10.5%，两帮移近量为362 mm，变形量增加36.6%，巷道变形幅度较大；当巷道高度为5.5 m 时，顶底板移近量为412 mm，变形量增加18.4%，两帮移近量为445 mm，变形量增加22.9%，巷道变形幅度依然较大。可以看出，当巷道高度不大于4.5 m 时，巷道变形幅度较小，高度超过4.5 m 后，巷道变形大幅度增加。

图2 不同高度下巷道围岩变形情况

2.4 构造应力影响分析

王庄煤矿采区工作面回采过程中，对不同位置巷道地应力进行测量得到侧压系数变化范围为0.95～2.55。随着深度的增加，侧压力系数也逐渐增大，研究选择侧压系数λ分别为1.0、1.5、2.0、2.5及3.0 进行数值模拟分析。随着侧压系数变化巷道围岩变形情况见图3。可以看出，随着与巷道距离的增加，巷道变形整体表现为快速增加-缓慢增加变形特征。与巷道距离在0～5 m 范围内，变形增加剧烈，与巷道距离超过5 m 后，巷道变形增加缓慢。随着侧压系数的增加，巷道顶底板及两帮移近量均呈现增加趋势，侧压系数越大，巷道变形增加越剧烈，同时巷道顶底板变形要大于两帮变形。

图3 不同侧压系数下巷道围岩变形情况

综合分析，王庄煤矿9105 工作面在现用巷道断面尺寸条件下，由于宽度较大，受构造应力扰动影响，导致巷道顶板变形比两帮严重，煤柱帮变形要大于回采帮。为保证巷道的稳定，以及随着开采向深部发展为有效控制深部巷道稳定性，需结合构造应力扰动下大断面巷道变形特征，提出有效的大断面巷道围岩控制技术。

3 大断面巷道围岩控制方法

现用大断面巷道在构造应力扰动下主要表现为顶板下沉量大，两帮变形严重，不利于大断面巷道的稳定，需要对大断面巷道实施有效的支护，提出对巷道顶板及两帮加强支护的围岩稳定性控制方法。

3.1 顶板支护

顶板采用“钢筋网+螺纹钢锚杆+预应力锚索”联合支护，首先对巷道顶板铺钢筋网支护，铺设时钢筋网要与顶板接实，网下用木背板与前探梁背紧、背实；随后打设Φ22 mm×2700 mm 螺纹钢锚杆，间排距为0.75 m×0.75 m，巷道中部锚杆垂直顶板及两帮布置，巷道边侧锚杆与巷道顶板及两帮呈45°夹角，按从中间到两边逐根迈步式依次进行，打设顶部中间第一根顶锚杆时先将该处对应前探梁后缩至不影响该锚杆排距打设位置；最后打设Φ18.9 mm×8000 mm 低松弛预应力钢绞线锚索，间排距为1.7 m×1.2 m，排与排之间采取“232”交错布置方式，安装好的锚索应戴帽并在锚索锁具下用10 号铁丝将锚索十字捆绑缠绕三圈使锚索及托板与顶部金属网片捆绑连接固定到一起。

3.2 两帮支护

两帮采用“工字钢棚+螺纹钢锚杆+预应力锚索”联合支护，两帮施打锚杆孔时，煤柱帮与回采帮锚杆布置方式与顶锚杆一致。由于原巷道在布置过程中煤柱帮变形较大，为了进一步保证煤柱帮的稳定性，在煤柱帮每排补打两根Φ18.9 mm×5000 mm 钢绞线锚索，间排距为1.8 m×1.2 m。为进一步保证巷道的稳定，还需采用工字钢棚支护，钢棚采用11 号矿用工字钢做成梯形棚，棚间距0.8 m，钢梁长3500 mm，棚腿长2839 mm/根，扎脚为450 mm。钢棚腿间采用4 根Φ18 mm 圆钢拉杆连锁，上下拉杆间距1 m，拉杆展开长度1.1 m/根，4根/棚，拉杆杆座焊接在棚腿上，杆座焊接位置位于棚腿垫板上1 m 和2 m 处各一个。大断面巷道支护断面见图4。

图4 大断面巷道支护断面图（mm）

4 矿压监测结果分析

4.1 巷道变形监测

研究提出的大断面巷道围岩控制技术在现场实施后，分别对巷道两帮和顶底板移近量进行为期两个月的监测，共布置两个监测点，监测结果如图5所示。巷道变形主要表现为快速发展-平稳波动两个过程，在支护后50 d 以前，巷道变形发展较快，但是随着时间的推移，超过50 d 以后，巷道变形量逐渐趋于稳定状态。巷道变形稳定后，顶底板最大移近量为197 mm，两帮移近量为245 mm。巷道加强支护前，顶底板最大移近量为464 mm，两帮最大移近量为442 mm。与加强支护前相比，顶底板移近量降低57.5%，两帮移近量降低44.5%，说明该支护方案对大断面巷道围岩变形实现了有效控制，可满足工作面安全回采要求。

图5 巷道变形监测数据

4.2 锚杆（索）受力监测

锚杆受力整体呈现先快速增长，后缓慢增长，最后趋于平缓特征。支护初期锚杆的轴向拉力增加比较快速，特别是支护后40 d 内增幅较大，但是随着时间的推移锚杆的拉力逐渐趋于稳定状态，其中锚杆的轴向拉力大小范围在88～105 kN 之间，这说明锚杆充分发挥了支护协调作用，使围岩形成了稳定的结构，有效限制了巷道围岩变形的发展，保障了大断面巷道的稳定。锚杆轴向拉力变化情况如图6 所示。

图6 锚杆轴向拉力曲线图

锚索轴向拉力变化情况如图7 所示。随着支护时间的增加，锚索的受力曲线整体呈现先快速增长，后缓慢增长，最后趋于平缓特征。支护初期锚索的轴向拉力增加比较快速，特别是支护后50 d 内增幅较大，随时间推移，50 d 后锚索轴向拉力趋于稳定，其中锚索的轴向最大拉力范围260～350 kN 之间，这说明锚索充分发挥了悬吊的作用，抗拉强度得到了有效发挥，保证了巷道的稳定。