煤礦構造應力區(qū)巷道支護技術研究

王 鑫

（陽煤集團壽陽開元礦業(yè)有限責任公司，山西 晉中 045400）

開元礦井田位于沁水煤田西北端，井田內陷落柱發(fā)育，根據歷次地質勘探（包括物探）和歷年采掘工程揭露情況，井田內共發(fā)育陷落柱258 個，陷落柱密度9.2 個/km2，陷落柱規(guī)模大小不一，一般為圓形、橢圓形。

隨著煤礦開采逐步向深部發(fā)展，煤層賦存越來越復雜，地質構造的存在嚴重影響著礦井的安全高效生產，尤其是穿過斷層、陷落柱及其影響帶內的巷道支護是一個需要解決的重要問題[1]。因此，要加強對陷落柱分布規(guī)律的研究及分區(qū)的預測，為礦井安全生產提供依據。

1 工程概況

開元礦業(yè)有限責任公司的3903 工作面開采沁水煤田的3 號煤，3903 工作面采用雙“U”型布置方式，工作面面長230 m，走向長1 490 m。煤層埋深375～392 m，平均埋深385 m，煤層厚度為2.1～2.5 m。3903 繞道斷面為矩形，寬×高為5 m×2.8 m。切巷前方300 m 處煤體有一個陷落柱，大小達到65×80 m2，且陷落柱周圍煤層變薄，不足1.5 m，影響范圍達到16 000 m2，為避免對工作面回采造成影響，計劃做繞道避開陷落柱影響范圍。繞道位于切巷前方165 m 處，由于3903工作面瓦斯治理措施采用的是回風側接瓦斯管進行抽采，需要在抽采措施巷和回風巷之間每隔50 m 施工一條聯絡巷，但繞巷處施工聯絡橫貫間距較大，且位于構造區(qū)域，需要開掘大量的巖巷，施工工程量大、工期長，而且會產生大量矸石，影響工作面的銜接。為滿足工作面后方通風，需要對繞道進行高水材料巷旁充填，采用高水材料巷旁充填沿空留巷技術可將工作面由兩進兩回“雙U”布置方式調整為兩進一回“Y”布置方式。3903 工作面與陷落柱關系如圖1所示。由于3903 繞巷需進行沿空留巷，回采期間需受工作面超前支承壓力及大型陷落柱構造應力的影響，巷道布置必須避開陷落柱及回采側向支承壓力應力集中區(qū)，使之處于應力降低區(qū)內[2]。3 號煤層頂底板巖性及綜合柱狀如圖2所示。

圖1 3903 工作面與陷落柱關系

圖2 3 號煤頂底板柱狀圖

圖2 3903 繞巷支護斷面

2 構造應力對巷道布置的影響

采掘活動會使原巖應力的平衡狀態(tài)受到破壞，同樣，在穩(wěn)定煤層中出現斷層、陷落柱等構造時，煤層頂板出現斷裂，導致應力傳遞出現阻隔，上覆巖層的部分重量會轉移到周邊的煤壁，使相鄰煤壁受力增加并出現內移現象，即應力集中及應力重新分布。有學者研究表明，隨著開采深度的增加，巖層壓力增長迅速，構造應力也隨之顯著增長，構造應力的方向性變得明顯，并且兩個水平構造應力的差值變化越來越大，導致應力場帶有明顯的方向性，給礦井巷道布置及煤炭開采造成了嚴重困難，且還存在很大的安全隱患。

在大型構造區(qū)附近，必須考慮構造應力場的影響，尤其是水平構造應力的影響，研究顯示，最大水平應力通常為垂直應力的0.5～5.5 倍，如果不考慮構造應力對巷道的作用力，往往會造成巷道的失穩(wěn)破壞和工作面的壓架等，使礦井無法進行正常生產[3]。因此，必須對構造應力的影響、進行詳細分析，尋求合理的巷道布置和支護方式，保證巷道掘進和工作面開采期間的穩(wěn)定性。

3 構造應力場中巷道支護技術研究

從煤層柱狀可以看出，3 號煤層頂板是比較堅硬的砂巖，底板以泥巖、砂質泥巖為主，屬軟弱巖層，而且泥巖存在遇水容易膨脹的問題，位于陷落柱應力影響范圍內，受回采動壓影響，極易導致巷道底板底鼓現象嚴重，底鼓變形較大會使得巷道斷面迅速縮小，對工作面回采沿空留巷期間通風斷面影響很大[4]。因此如何有效控制3903 繞巷圍巖變形是保證回采的必要條件，掘進施工期間必須合理確定支護設計，減低圍巖的收斂速度及收斂量，同時確保后期在構造應力及回采側向支撐壓力的影響下，錨索、錨桿聯合支護能有效控制巷道圍巖變形量。

根據前文分析，構造應力對巷道的主要影響是水平應力較大，巷道圍巖的力學性質容易改變，所以構造應力場中巷道錨桿、 錨索聯合支護應采用高預緊力支護系統，變被動支護為主動支護。由于錨索的支護優(yōu)勢在于其高抗拉強度，但其抗剪強度卻很低，僅是其抗拉強度的1/5～l/10。由于錨索與孔壁之間的間隙很小，頂板巖層稍有移動，錨索就易受到剪切破壞，所以頂板支護必須錨桿配合錨索聯合支護，頂錨桿桿體選用抗剪切能力強、剛度大的，幫錨桿桿體選用抗拉伸能力強、延展率大的材料[5]。

3903 回風順槽設計幫錨桿的預應力矩為300 N·m，根據現場觀測及礦壓監(jiān)測分析，對于圍巖松軟段，加之后期風化、洗巷淋水等原因導致巖石破碎后，錨桿托盤無法緊貼巖面，造成錨固預應力降低，嚴重的會使錨桿徹底失效。

相比錨桿，錨索的強度、預緊力較大，而且長度可以是普通幫錨桿的兩倍，對于特殊地質構造所形成的松動圈的加固平衡拱承載能力也更大，巷道兩幫的煤體可以承載更大的應力，也可以很好地抵御圍巖變形。

針對以上情況，結合3 號煤頂底板巖性，3903繞巷支護設計為：采用錨桿、錨索、金屬網、W 鋼帶聯合支護。頂板支護方式： 使用長4.8 m 的五眼W 鋼帶，鋼帶上錨桿、錨索采取“五花”布置方式，排距0.8 m；兩幫支護方式：每幫布置3 根，間距為0.9 m，北幫（陷落柱幫）布置一至兩根幫錨索，形成“三花”布置方式。錨桿錨固力不小于120 kN，錨索預緊力不小于230 kN。3903 回風繞巷支護設計如圖3所示。

通過研究煤層頂底板巖性，使用高預緊力、高強度錨桿、錨索聯合支護，采用4.2 m 幫錨索加強煤幫支護強度，使得幫錨索通過圍巖松動圈深入煤巖層深部，及時變被動支護為主動支護[6]，給圍巖一定的預壓應力，以約束巷道圍巖特別是煤幫的塑性變形，并使頂板的垂直應力轉移到巷道兩側煤體縱深，最終提高圍巖的抗變形能力。

4 工作面繞采期間礦壓顯現規(guī)律

簡單分析3903 工作面繞采期間的礦壓顯現規(guī)律，工作面推進至3903 繞巷處及其前后范圍內，工作面及巷道交叉處開始發(fā)生圍巖應力集中現象，存在局部頂板破碎及底鼓，工作面推進至繞巷后，在工作面后方20 m 左右，繞巷頂板下沉較為強烈，有明顯動壓現象。隨著工作面的推進，距工作面后方50 m 左右的范圍內，頂板下沉活動較前一階段緩和，但頂底板移近量持續(xù)增加，50 m以后，繞巷上覆巖層活動趨于穩(wěn)定。結合3 號煤工作面來壓步距一般為15～25 m 進行分析，隨著工作面的縮短，工作面來壓步距增大至25 m 以上，受采場關鍵層巖塊旋轉下沉影響，巷道圍巖變形較大，頂板下沉量明顯，但由于巷道頂幫支護合理，頂板和煤幫處于應力平衡狀態(tài)，滿足了安全生產需要。

5 結論

1）針對3903 工作面存在大型陷落柱，分析了構造應力對巷道布置及支護方式的影響，礦井深部構造應力主要是水平應力影響較大。

2）通過分析構造應力對巷道圍巖的影響，考慮到巷道圍巖變形量要求，采用了強度高、延展率好的錨桿和錨索進行聯合支護變被動支護為主動支護。

3）通過對工作面繞采期間的礦壓規(guī)律進行觀測，工作面推進50 m 以后，3903 回風繞巷上覆巖層活動趨于穩(wěn)定，合理的支護方式可以確保巷道頂板和煤幫變形可控。