“三軟”煤層沿空掘巷圍巖力學環(huán)境及支護體承載性能分析

李憲振

（鄭煤集團超化煤礦，河南 新密 452385）

鄭煤集團新鄭煤電主采煤層為二1煤層，屬“三軟”煤層，二1煤層厚度整體變化較大，局部區(qū)域變化極大，煤層呈粉狀構造，且煤層內滑面、摩擦鏡面比較發(fā)育。鄭煤集團新鄭煤電針對綜放沿空掘巷圍巖的特點，根據綜放沿空掘巷圍巖大、小結構穩(wěn)定性原理，通過對綜放沿空掘巷巷道圍巖應力分布特點、巷道圍巖變形特征，錨桿、錨索實際承載狀況的變化規(guī)律研究，優(yōu)化錨網支護參數，保證了“三軟”煤層綜放沿空掘巷圍巖的穩(wěn)定性[1-6]。

1 概況

12206工作面下付巷主要用于該工作面進風與煤炭運輸，該巷北東鄰12208工作面，南西鄰12204工作面，南東鄰采區(qū)回風上山保護煤柱。12206工作面下付巷所處位置如圖1。

圖1 12206工作面下付巷

12206工作面主采山西組底部二1煤層，煤質松軟，強度較低。根據12204工作面實揭煤厚資料及鉆孔資料，該巷煤厚變化3.4～14.9 m，平均厚度為8 m。二1煤層直接頂為炭質泥巖、砂質泥巖，底板為厚層狀砂質泥巖，屬于典型的“三軟”煤層。12206工作面位于滹沱背斜軸部附近，工作面煤層底板整體呈單斜構造，煤層傾角為3°～8°。12206工作面下付巷井下標高為-166～ -131 m，當煤厚≤5 m時，沿二1煤層頂板掘進，當煤厚＞5 m時，沿二1煤層底板掘進，總工程量1074 m。

2 巷道圍巖應力分布特征

2.1 數值模型

采用有限差分計算軟件FLAC3D進行數值模擬分析，模型尺寸為：120 m×50 m×37 m，采用四邊形等參單元，其邊界條件為：左右兩個面固定x方向位移，前后兩個面固定y方向位移，底面固定x、y、z三個方向的位移。

煤層及頂底板巖層物理力學參數見表1。

表1 煤層及頂底板巖層物理力學參數表

12206工作面下付巷埋深為300 m，γ取值為2.4 kN/m3，因此垂直方向施加應力7.2 MPa，側壓力系數取1.1。模型采用莫爾-庫侖（Mohr-Coulomb）屈服準則。

新掘巷道由于煤體松軟，煤層掘出后手指滑過煤體便會掉下。巷道成型較差時，錨網支護遵循“掉到哪，錨到哪”的支護原則，不能為了保持巷道的美觀而在網后背墊板、荊笆。12206工作面下付巷留設窄煤柱寬度為2 m，但在實際掘巷過程中不可避免地會產生超挖、欠挖現象。因此模擬窄煤柱寬度分別為1.5 m、2 m、2.5 m三種情況下，巷道圍巖應力分布狀態(tài)。

2.2 巷道圍巖應力分析

窄煤柱寬度分別為1.5 m、2 m、2.5 m三種情況下，巷道圍巖應力分布如圖2。

圖2 不同窄煤柱寬度下巷道圍巖應力分布狀態(tài)

由圖2可知，沿空掘巷窄煤柱寬度在±0.5 m范圍內變化時，巷道圍巖應力分布狀態(tài)存在明顯差異，具體情況如下：

（1）窄煤柱寬度為1.5 m，巷道圍巖變形比較強烈，窄煤柱一側基本呈壓酥狀態(tài)，圍巖承載性能很差。當支承壓力向巷道頂板、底板轉移時，導致巷道頂底板應力環(huán)境變差，圍巖更容易發(fā)生塑性流變，造成明顯的頂板下沉、底鼓現象；當支承壓力向實體煤側巷幫轉移時，會使實體煤側巷幫更廣的范圍內承受更大的支承壓力。所以，要避免煤柱側巷幫出現較大的超挖現象，一旦出現，要及時加強支護。

（2）沿空掘巷各個部位應力分布狀態(tài)存在明顯差異，當窄煤柱寬度為2 m時，窄煤柱側巷幫有一定承載能力。由于“三軟”煤層巖性很差，頂板破碎區(qū)范圍較大，且破碎圍巖呈干散狀態(tài)，在重力作用下容易導致頂板下沉，在錨索支護時必須根據頂煤厚度選取錨索長度。如果頂煤厚度較大，可以采用短錨索使巷道圍巖形成承壓拱結構；如果頂煤厚度較小，所使用的錨索要保證錨固端能深入巖層內，對破碎圍巖體起懸吊作用。上覆巖層載荷通過巷道兩幫傳遞給巷道底板，引起底鼓。這也是沿空掘巷的基本特點之一，通過打底角錨桿可抑制回采巷道的底鼓。整體來說，巷道圍巖承受應力水平，實體煤側巷幫＞窄煤柱側巷幫＞頂底板。進行支護設計時，要采取有效措施防止頂板下沉、底鼓及窄煤柱側巷幫內移。

3 沿空掘巷圍巖變形及支護體承載性能測試

3.1 測站布置

12206工作面下付巷斷面為梯形，巷道凈寬5600 mm，凈高3400 mm，頂部采用鋼筋網+硬質塑料網+H型鋼帶（橫向）+錨索支護，幫部采用鋼筋網+硬質塑料網+H型鋼帶+錨桿支護。頂部采用規(guī)格為Φ20 mm×2400 mm全螺紋等強螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為800 mm×800 mm；幫部采用規(guī)格為Φ20 mm×2000 mm全螺紋等強螺紋鋼錨桿，錨桿間排距800 mm×800 mm。

測站中各監(jiān)測儀器布置情況如圖3。采用十字布點法觀測巷道表面位移，采用頂板離層儀監(jiān)測巷道頂板離層情況，采用錨索測力計監(jiān)測錨索實際承受載荷，用測力錨桿替代普通錨桿監(jiān)測錨桿桿體受力變化情況，通過在測力錨桿托板與螺母之間安裝錨桿液壓枕監(jiān)測錨桿托錨力變化情況。

圖3 測站各監(jiān)測儀器布置圖

3.2 沿空掘巷圍巖變形規(guī)律

12206工作面下付巷表面位移變化情況如圖4。由圖可知，沿空掘巷巷道圍巖表面位移以兩幫內移為主，兩幫位移量明顯高于頂底板移近量。在滯后掘進迎頭120 m左右時巷道圍巖表面位移趨于穩(wěn)定，兩幫移近量在150 mm左右，頂底板移進量在93 mm左右。巷道圍巖表面位移是反映巷道圍巖穩(wěn)定狀況的綜合指標，由于二1煤層受滑動構造影響，圍巖自身強度很低，這也導致“三軟”煤層沿空掘巷在圍巖活動漸趨穩(wěn)定時巷道圍巖表面位移量偏大，圍巖表現出一定的流變特性。

圖4 巷道表面位移變化圖

12206工作面下付巷頂板深部圍巖位移變化情況如圖5。由圖5分析可知，頂板深部圍巖在滯后掘進迎頭150 m左右時趨于穩(wěn)定，7 m深基點位移量在23 mm左右，3 m深基點位移量在15 mm左右。與巷道圍巖表面位移相比，圍巖在剪脹變形的同時，向巷道空間內產生了一定的整體位移。在“三軟”煤層地質條件下，頂板破碎區(qū)圍巖膠結性很差、強度很低，巷道圍巖流變特性特別明顯，粉狀煤體可錨性差，水力沖孔易導致鉆孔直徑擴大，引起錨桿錨空失效。

圖5 巷道頂板深部圍巖位移變化圖

3.3 沿空掘巷支護體承載變化規(guī)律

12206工作面下付巷測力錨桿桿體平均軸力變化情況如圖6。由圖6可知，6根測力錨桿平均軸力值在滯后掘進迎頭120 m左右時趨于穩(wěn)定，此時測力錨桿間平均軸力值存在明顯差異。整體看來，位于實體煤側巷幫5#、6#測力錨桿平均軸力最高，位于窄煤柱側巷幫1#、2#測力錨桿平均軸力次之，位于頂板3#、4#測力錨桿平均軸力最低。這與圖2的研究結論相照應，圍巖承載性能越好，錨桿錨固力可以達到較高水平且不容易耗散，反之圍巖巖性越差，錨桿無法達到較高錨固力且容易發(fā)生錨固失效現象。

圖6 測力錨桿平均軸力變化圖

12206工作面下付巷頂板錨索測力計受力變化情況如圖7。由圖7可知，三個頂板錨索測力計受力在滯后掘進迎頭90 m左右時趨于穩(wěn)定，三個錨索測力計壓力值相差不大，頂板中央錨索受力略高于兩側錨索。這是由于此時錨索主要起懸吊作用，承受頂板破碎煤體重力作用，頂板中央撓度要高于兩側，導致中央錨索實際承受載荷要高于兩側錨索。

圖7 錨索測力計受力變化圖

4 結論

（1）當窄煤柱側巷幫出現超挖現象，窄煤柱寬度小于設計值時，由于支承壓力向巷道頂底板及實體煤側巷幫轉移，導致頂底板應力環(huán)境變差，圍巖更容易發(fā)生塑性流變，要加強該側幫支護。

（2）巷道圍巖應力水平，實體煤側巷幫＞窄煤柱側巷幫＞頂底板，在進行支護設計時，要采取有效措施防止頂板下沉、底鼓及窄煤柱側巷幫內移。

（3）“三軟”煤層沿空掘巷巷道圍巖表面位移量及深部巖體位移量偏高。這是由圍巖體自身特性決定的，采用錨網支護時要注意解決粉狀煤體可錨性差，水力沖孔易導致鉆孔直徑擴大，引起錨桿錨空失效等問題。

（4）“三軟”煤層沿空掘巷各部位錨桿實際承載存在明顯差異，呈現實體煤側巷幫＞窄煤柱側巷幫＞頂板的規(guī)律，而頂板錨索實際承受載荷差異相對較小，由于頂板中央撓度要高于兩側，導致中央錨索實際承受載荷要高于兩側錨索。