深井孤島面巷道圍巖變形壓力轉(zhuǎn)移支護(hù)技術(shù)研究

田啟生 楊永剛 王先成

1.淮南礦業(yè)集團(tuán)潘三煤礦， 安徽 淮南 232096 2. 安徽省煤炭科學(xué)研究院采礦支護(hù)中心，安徽 合肥 230001

深井孤島面巷道圍巖變形壓力轉(zhuǎn)移支護(hù)技術(shù)研究

田啟生1楊永剛2王先成1

1.淮南礦業(yè)集團(tuán)潘三煤礦， 安徽 淮南 232096 2. 安徽省煤炭科學(xué)研究院采礦支護(hù)中心，安徽 合肥 230001

受深井高地壓及復(fù)雜圍巖應(yīng)力環(huán)境影響，孤島工作面巷道在掘進(jìn)與回采期間變形嚴(yán)重，難以滿足安全高效回采的要求。針對潘三礦1472（3）沿空巷道圍巖控制技術(shù)難題，提出了頂板以錨索支護(hù)為主，錨桿支護(hù)為輔、巷幫錨索桁架為核心的巷道圍巖變形壓力深部轉(zhuǎn)移支護(hù)技術(shù)。經(jīng)現(xiàn)場實(shí)踐表明，該支護(hù)技術(shù)能夠有效控制巷道圍巖變形，顯著降低巷道維護(hù)成本。

孤島工作面；變形壓力；深部

深井高應(yīng)力復(fù)雜條件下的巷道支護(hù)已經(jīng)成為當(dāng)前和今后長期影響煤礦安全生產(chǎn)和效益的技術(shù)性難題，并隨著采深的持續(xù)增加而越發(fā)突出和嚴(yán)重。深部巖體所處的復(fù)雜的三高（高地應(yīng)力、高溫度、高滲透壓）環(huán)境及強(qiáng)烈的時(shí)間效應(yīng)導(dǎo)致深部巖體組織結(jié)構(gòu)、基本行為特征和工程響應(yīng)均發(fā)生根本性改變，地下水、瓦斯等多、多相耦合作用均對巖體產(chǎn)生極大影響。同時(shí)，為了避免生產(chǎn)和接替工作面之間的干擾，采區(qū)內(nèi)工作面之間被迫采用跳采、接替方式，不可避免地形成孤島工作面。此時(shí)上下順槽均為沿空巷道礦壓，顯現(xiàn)明顯使得采用常規(guī)支護(hù)設(shè)計(jì)的深部沿空巷道工程穩(wěn)定性越來越難以控制，巷道斷面收縮嚴(yán)重，有些巷道需要反復(fù)維修，從而造成巷道的維護(hù)費(fèi)用高出掘進(jìn)費(fèi)用數(shù)倍，嚴(yán)重影響礦井安全高效生產(chǎn)。

淮南礦業(yè)集團(tuán)潘三煤礦1472（3）工作面為孤島工作面，上下順槽是典型的深井高地壓沿空巷道。巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，錨梁網(wǎng)支護(hù)將顯得非常困難，采用何種支護(hù)形式和支護(hù)參數(shù)保證該沿空巷道的安全、快速施工是保證工作面正常接替的關(guān)鍵性問題，也是過去普通錨梁網(wǎng)支護(hù)中未曾遇到過的新問題，具有重要的理論意義和實(shí)踐意義。

1 工程概況

潘三礦1472（3）工作面位于一水平西二采區(qū)，標(biāo)高-726～-750m?；夭擅簩訛?3-1煤層，煤厚2.4～6.9m，均厚3.2m，黑色，水平層理，以塊狀暗煤為主。煤（巖）層產(chǎn)狀155～220°∠2～18°，平均傾角8°。根據(jù)使用要求，巷道沿煤層頂板掘進(jìn)，1472（3）工作面回采巷道設(shè)計(jì)斷面寬5.2m，中高3.2m，有效斷面為16.64 m2，留設(shè)煤柱8m。具體的巷道采礦地質(zhì)條件如下：

（1）1472（3）工作面下方為2009年10月底收作的1492（1）工作面和2007年5月收作的14102（1）工作面，該工作面將整體處于11槽煤的彎曲下沉帶內(nèi)，巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境發(fā)生了重大改變，圍巖可能已經(jīng)發(fā)生沉降、離層甚至斷裂，巷道圍巖變形及穩(wěn)定性控制較為困難。

（2）直接頂巖性變化大，部分地段為砂質(zhì)泥巖與13-2煤組成的復(fù)合頂板，層高4.1m，復(fù)合頂板的存在，且屬于高位復(fù)合頂板，給巷道支護(hù)參數(shù)的確定帶來影響。

（3）巷道埋深大，壓力大，煤柱受到采場“大結(jié)構(gòu)”的影響，煤柱很大深度范圍內(nèi)破壞嚴(yán)重，可錨性嚴(yán)重降低甚至喪失，給巷道變形控制帶來影響；

（4）該面為孤島工作面，上下順槽均處于沿空狀態(tài)，覆巖壓力較為集中，一側(cè)巷道的失穩(wěn)將直接影響工作面的通風(fēng)安全，必須有效控制巷道圍巖變形，同時(shí)保證工作面上、下順槽在掘進(jìn)與工作面回采期間的安全、暢通。相比于單條沿空掘巷的工作面，對孤島工作面沿空巷道支護(hù)的穩(wěn)定性及安全性要求更高。

（5）巷道寬度達(dá)5.2m，巷道寬度的加大，增加了巷道錨梁網(wǎng)支護(hù)的困難，同時(shí)也增加了巷道頂板可能冒落的高度，有可能使錨桿支護(hù)的效果降低、甚至完全失去效果。

2 巷道支護(hù)對策

（1）采用以錨索支護(hù)為主、錨桿支護(hù)為輔的支護(hù)方式，提高頂板的支護(hù)強(qiáng)度，防止頂板在巷道空間內(nèi)斷裂。當(dāng)沿空巷道掘進(jìn)時(shí)，必須通過支護(hù)手段控制頂板的垮落，使設(shè)計(jì)錨索支護(hù)的錨固深度大于頂板的可能的離層高度，使錨索能夠錨固到比較穩(wěn)定的頂板巖層中；采用組合錨索支護(hù)，實(shí)現(xiàn)錨索預(yù)緊力的有效擴(kuò)散，提高頂板支護(hù)的整體性，充分發(fā)揮錨索的支護(hù)性能和支護(hù)潛力；

（2）加強(qiáng)煤柱幫支護(hù)強(qiáng)度，提高其支承能力，控制其變形。普通巷幫錨桿支護(hù)只能對煤柱的碎脹變形或松動(dòng)變形起到約束作用，并不能阻止煤柱的整體性移出。煤柱破壞后便不再具有可錨性，或可錨性很低，安裝在煤柱中的錨桿的支護(hù)作用有限。巷幫采用錨索桁架方式可將淺部煤柱的變形壓力轉(zhuǎn)移到深部巖體。

（3）沿空掘巷時(shí)，由于側(cè)向支承壓力影響，煤柱已破碎嚴(yán)重，支承能力低，巷道頂板的壓力可能會(huì)轉(zhuǎn)移到工作面?zhèn)鹊拿后w上，這無疑會(huì)加大實(shí)體煤側(cè)的變形。為了控制巷道頂板的下沉離層，保持巷道的穩(wěn)定和安全，也需要加大工作面?zhèn)认飵偷闹ёo(hù)強(qiáng)度，采用桁架錨索支護(hù)將淺部煤柱的變形壓力轉(zhuǎn)移到深部。

3 巷道支護(hù)方案

基于采礦地質(zhì)條件分析以及，提出巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方案，見圖1。

巷道頂板采用兩種支護(hù)單元進(jìn)行支護(hù)：第1支護(hù)單元由錨桿和M5鋼帶組成，鋼帶長度4.8m。鋼帶沿巷道頂板橫向布置，每根鋼帶上安裝6根錨桿，除肩窩位置兩根錨桿與鉛垂面15°角錨入外，其余均穿過鋼帶孔全部垂直頂板錨入。為便于管理及施工方便頂板錨桿統(tǒng)一采用Φ22×2400mm左旋螺紋鋼等強(qiáng)錨桿。采用網(wǎng)孔不大于40mm的8#金屬網(wǎng)緊貼頂板鋪設(shè)，縱向搭接，搭接長度200mm。搭接處用12#鐵絲扎結(jié)，且用鋼帶壓茬。

第2支護(hù)單元由T3鋼帶和錨索組成錨索桁架，沿巷道縱向共布置4排錨索桁架。錨索桁架距巷幫800mm布置，其余均間隔1200mm，中間兩排與兩側(cè)T3鋼帶沿巷道縱向錯(cuò)開800mm布置。每根T3鋼帶上布置3根錨索。錨索穿過T3鋼帶上的安裝孔垂直頂板安裝。金屬網(wǎng)緊貼頂板鋪設(shè)，M鋼帶壓住金屬網(wǎng)，T3鋼帶壓住M5鋼帶。沿巷道縱向，相鄰的兩根T3鋼帶不搭接，相距400mm。

巷幫采用錨桿+平鋼帶+錨索桁架進(jìn)行支護(hù)。沿巷道高度共布置4排平鋼帶，平鋼帶沿巷道縱向布置，每根平鋼帶上布置3根錨桿。巷幫錨索桁架為T3鋼帶，豎向安裝，并壓住中間兩排平鋼帶。每根T3鋼帶上布置2根錨索，上部一根錨索以水平面成20°的仰角錨入，底部一根錨索距底板600mm水平錨入。錨桿的間、排距為800×800mm，長度2800mm，T3鋼帶長度為1800mm，錨索間排距為1600×1600mm。

圖1 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方案

4 沿空巷道數(shù)值計(jì)算分析

（1）模型建立

采用UDEC3.1對巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行模擬分析計(jì)算。數(shù)值模型的建立根據(jù)潘三礦地質(zhì)條件，巷道埋深740m。巷道頂?shù)装鍘r性參數(shù)以礦方提供的柱狀圖為準(zhǔn)。模型大小長×高=850×400m，包括1472（3）工作面臨近的采面14102（1）工作面、1462（3）工作面、1482（3）工作面、1492（1）工作面等。模型兩側(cè)限制水平方向移動(dòng)，模型底邊限制水平方向和垂直方向移動(dòng)，模型上表面為應(yīng)力邊界，根據(jù)巷道埋深計(jì)算頂面加自重荷載q垂直=12.5MPa（q=rh）作為補(bǔ)償載荷，材料破壞遵循Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則。

（2）計(jì)算分析

巷道頂?shù)装寮皟蓭妥畲笪灰屏恳姳?所示。

表1 巷道圍巖最大位移量

由表1結(jié)合圖2巷道圍巖位移矢量及圖3塑性區(qū)分布圖可以看出，未支護(hù)時(shí)，頂?shù)装逡平繛?06.9mm，兩幫移近量為552.7mm，底鼓量占頂?shù)装逡平康?8.2%，煤柱幫變形量為兩幫移近量的47.5%?？傮w來看，頂?shù)装遄冃瘟恳缘坠臑橹鳎敯灞憩F(xiàn)為整體下沉，約占總量的60%以上，兩幫變形基本呈對稱分布；巷道支護(hù)后頂板下沉量211.7mm，底鼓量為546.3mm，頂板表現(xiàn)為整體下沉，較未支護(hù)下沉降低61%，底板未支護(hù)相比無支護(hù)狀態(tài)變化不大，兩幫變形量顯著減小至215.1mm，相比無支護(hù)狀態(tài)下降61%。由此可見，支護(hù)后頂板錨桿和錨索發(fā)揮了重要作用，錨桿和錨索通過較高的預(yù)應(yīng)力作用于頂板，使得頂板巖層形成組合梁結(jié)構(gòu)，抗剪強(qiáng)度和抗變形能力大幅提高，從而維護(hù)了巷道頂板穩(wěn)定；煤柱幫的錨索桁架支護(hù)系統(tǒng)將淺部煤體的變形轉(zhuǎn)移到深部，傾斜的錨索錨固段深入到頂?shù)装鍘r體內(nèi)，生根點(diǎn)位于穩(wěn)定巖層內(nèi)，有效控制了煤幫變形，而實(shí)體煤幫采用長錨桿進(jìn)行了支護(hù)，支護(hù)效果也明顯好于短錨桿支護(hù)，但較錨索桁架支護(hù)較差。

圖2 圍巖位移矢量分布

圖3 圍巖塑性區(qū)分布

（3）模擬結(jié)論

通過對孤島工作面雙沿空巷道的模擬分析，可以得出如下結(jié)論：

a 沿空掘巷后，巷道兩幫煤體已發(fā)生松散破壞，可能發(fā)生的塑性破壞的深度達(dá)3m以上，采用普通短錨桿對控制巷幫變形效果不明顯，巷幫采用桁架錨索，并將錨固段深入到頂?shù)装宸€(wěn)定巖層中，可以有效控制煤幫整體向巷道空間內(nèi)的位移。

b 巷道支護(hù)參數(shù)及方案能夠有效控制巷道圍巖變形。巷道兩幫變形量在300mm以內(nèi)，頂?shù)装逡平?00mm以內(nèi)，且以底鼓為主，能夠滿足巷道使用要求。

5 巷道圍壓控制效果

在巷道開掘過程中布置了多個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行巷道圍巖位移、壓力的監(jiān)測，限于篇幅，列舉軌道順槽內(nèi)其中一個(gè)測站進(jìn)行分析，如圖4所示。該測站共監(jiān)測200余天，巷道兩幫變形量397mm，頂?shù)装逡平?26mm，12天后圍巖變形速度小于5mm/d，以后變形速度維持在1～2mm左右，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

從軌道順槽整體情況來看，巷道掘進(jìn)過程中，巷道兩幫變形量300~400mm不等，頂?shù)装逡平?00mm左右的范圍內(nèi)，巷道變形得到了有效控制。巷道自穩(wěn)所需時(shí)間短，基本上11～15天后，圍巖變形趨于穩(wěn)定。本工作面回采時(shí)，在采煤面附近巷道斷面收斂較為嚴(yán)重，與巷道掘進(jìn)斷面相比，巷道兩幫總移近量為1200～1300mm左右，底鼓量為1100mm左右，采煤面附近巷道寬度保持在4000mm左右，巷高保持在2100mm左右，能夠滿足通風(fēng)、行人等要求。

圖4 巷道圍巖變形曲線

6 結(jié)語

（1）提出的深井沿空巷道頂板錨索支護(hù)為主，錨桿支護(hù)為輔，巷幫錨索桁架為核心的巷道圍巖變形壓力深部轉(zhuǎn)移支護(hù)技術(shù)，井下試驗(yàn)歷時(shí)1年的時(shí)間，經(jīng)歷了掘進(jìn)與回采雙重考驗(yàn)，經(jīng)礦壓觀測，巷道掘進(jìn)至回采兩幫累計(jì)移近量1200mm左右，頂?shù)装逡平?100mm左右，巷道安全狀況良好，滿足使用要求，期間未臥底刷幫，實(shí)現(xiàn)了一次成巷；

（2）頂板錨索支護(hù)為主，錨桿支護(hù)為輔，巷幫錨索桁架為核心的巷道圍巖變形壓力深部轉(zhuǎn)移支護(hù)技術(shù)減少了巷道維修量，降低了巷道維護(hù)成本，支護(hù)試驗(yàn)的成功為礦區(qū)在類似條件下的沿空巷道支護(hù)進(jìn)行了有意義的嘗試，并積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2012.09.020