受采动影响的薄基岩回采巷道围岩控制技术研究

唐世界

(河南能源化工集团焦煤公司赵固一矿，河南省新乡市，453634)



受采动影响的薄基岩回采巷道围岩控制技术研究

唐世界

(河南能源化工集团焦煤公司赵固一矿，河南省新乡市，453634)

大量生产实践表明，回采巷道顶板为薄基岩时，矿压显现剧烈。同时，由于采掘接替紧张，相邻工作面未回采完毕就进行下一工作面回采巷道的掘进，造成掘进巷道处于复杂的应力环境中，严重影响回采巷道围岩的稳定性。通过FLAC3D数值模拟软件从回采巷道所受的应力场、塑性区以及锚杆锚索受力等方面验证了支护方案的合理性，通过现场矿压观测结果，分析了薄基岩矿压显现规律。

薄基岩 应力场 塑性区 锚索锚杆支护 数值模拟

回采巷道顶板基岩较薄，岩性强度较弱，其形成的承载结构更加脆弱，巷道顶板要承受自身掘进时期的应力重新分配，同时还要受本工作面开采以及相邻工作面开采的超前或侧向动压影响，巷道围岩受力情况十分复杂。目前国内回采巷道煤巷锚网支护主要以强力一次支护理论为基础，针对不同的地质工程条件进行应用。目前强力一次支护理论在薄基岩回采巷道中的应用较少。对于采场薄基岩顶板矿压显现规律研究较多，而对于受动压影响的薄基岩回采巷道的支护及矿压显现规律研究较少。本文以赵固一矿11271胶带平巷为工程背景，分析总结了受动压影响的薄基岩回采巷道矿压显现规律及支护技术，为类似工作面回采巷道支护提供一定参考。

1 工程概况

赵固一矿11271胶带平巷下方为未回采的11291工作面，东边是DF48断层煤柱，西边是F16保护煤柱，南边是正在回采的11251工作面，区间保护煤柱宽度为40 m，11251工作面已回采50 m，11271胶带平巷已掘进760 m，最大埋深460 m。11271胶带平巷在矿井服务过程中将受到11251工作面和本工作面的回采动压影响，巷道维护十分困难。井下调研发现，11271胶带平巷采用锚网索支护，巷道局部地段底鼓500～600 mm。根据类似工作面矿压显现情况可知，相邻工作面回采期间巷道变形严重。在整个回采期间，巷道正常段断面宽4.5 m，高3.5 m，掘进断面宽4.7 m，高3.6 m，沿煤层顶板掘进。11271胶带平巷位置关系如图1所示。

赵固一矿二1煤层位于山西组底部，煤层赋存稳定，埋深448 m，煤层厚5.8～6.2 m，平均约6.0 m，煤层倾角平均为2°。二1煤层为灰黑～黑灰色，以块状为主，似金属光泽，贝壳状断口，煤质坚硬，夹有少量粒状煤，煤层节理发育，顶板主要为泥岩、砂质泥岩和大占砂岩，伪顶以泥岩为主，底板以砂质泥岩和灰岩为主。顶板基岩厚度25～55 m，基岩厚度较薄，工作面回采期间出现顶板漏粘土现象，掘巷期间需要及时对顶板基岩厚度进行探测。

图1 11271胶带平巷位置关系图

赵固一矿11271胶带平巷地应力测试结果显示，最大水平主应力为9.05 MPa，最小水平主应力为7.53 MPa，垂直应力为11.23 MPa，顶板泥岩单轴抗压强度平均为20.78 MPa，砂岩单轴抗压强度平均为61.85 MPa，煤体单轴抗压强度平均为17.18 MPa。

2 11271胶带平巷支护方案

锚索采用ø21.6 mm，1×19股高强度低松弛预应力钢绞线，长度8300 mm，延伸率7%，配合高强度锁具和可调心托板。采用一支MSK2335和两支MSZ2360树脂锚固剂锚固。顶板每排锚杆打两根锚索，间距2000 mm，排距900 mm，全部垂直顶板布置，锚索初次张拉不低于300 kN，预应力损失后不低于260 kN。锚索托板采用300 mm×300 mm×14 mm高强度可调心托板及配套锁具，其承载能力与锚索索体相匹配，不小于560 kN。

图2 11271胶带平巷断面支护图

两帮巷帮支护：两帮锚杆支护材料及参数和顶板的锚杆支护相同，只是护表构建规格稍有差异。护表构建采用经纬网护帮，网孔规格50 mm×50 mm，网片规格3400 mm×1000 mm；双钢筋托梁采用14 mm的双钢筋焊接而成，宽度80 mm，长度3300 mm。11271胶带平巷断面支护如图2所示。

3 数值模拟

3.1 数值模型

针对11271胶带平巷顶板基岩较薄的特点，根据地质力学测试的地应力以及顶板和煤体的围岩物理特性，采用FLAC3D软件建立数值模拟，从11271胶带平巷巷道围岩的应力环境、塑性破坏特征及锚杆锚索受力特征，模拟分析11271胶带平巷支护方案的合理性。

3.2 数值模拟结果分析

11251工作面与11271胶带平巷掘进交汇时，11271胶带平巷在锚网支护下围岩垂直应力场和水平应力场分布如图3所示。

图3 11271胶带平巷围岩应力分布

由图3可以看出，11251工作面回采与11271胶带平巷掘进交汇时，煤柱内最大垂直应力为23.42 MPa，是原岩应力的2.01倍，位置位于距离11251工作面3～5 m的位置，说明煤柱内的应力叠加主要是受11251回采工作面引起的应力重新分配，而11271胶带平巷掘进引起的应力集中系数较小。11271胶带平巷右帮锚杆支护区域接近应力叠加区域，现场施工时可根据现场围岩变形情况进行补打锚索；最大水平应力为11.47 MPa，是原岩应力的1.27倍，位置位于11271巷道底板2～5 m区域内。垂直应力的集中系数明显大于水平应力的集中系数，说明由于顶板为薄基岩，11251工作开采完毕后，顶板断裂比较及时，对于水平应力的传导较快。

11271胶带平巷掘进和11251工作回采交汇时的巷道围岩的塑性破坏特征及锚杆锚索受力情况如图4所示。

图4 11271胶带平巷围岩塑性区及锚杆锚索受力情况

由图4可以看出，11251工作面回采后，11271胶带平巷围岩破坏范围在巷道周围3～5 m左右，支护有效的控制围岩向深部破坏。11271胶带平巷围岩的塑性区和11251工作面开采的破坏塑性区未贯通链接。11271胶带平巷锚索最大受力为201 kN，锚杆最大受力为103 kN，从锚杆锚索受力上来看，锚杆锚索发挥了支护作用，从支护方案的材料选择来看，强度完全满足支护要求。

4 现场监测

在11271胶带平巷与11251回采工作面交汇前80 m后设立的围岩变形监测站。巷道掘进支护42 d后围岩变形量如图5所示。11271掘进工作面在第8 d和11251回采工作面交汇，在距离8 m时两帮变形速率增加，两帮在35 d后基本稳定，最大移进量为178 mm；在相距7 m时顶板下沉速率增加，顶板在17 d左右基本稳定，最大下沉量为90 mm。薄基岩顶板在11251工作面回采后，很快就断裂垮落，采空区支承压力保持时间较短，向相邻11271胶带平巷传递应力的作用较小，11271胶带平巷两帮和顶板稳定较快。

图5 11271胶带平巷围岩变形监测曲线

5 结论

(1)薄基岩回采巷道与相邻工作面回采对掘，造成巷道围岩处于动态复杂应力环境中，煤柱垂直集中应力达到最大垂直原岩应力的2.01倍，水平应力达到最大水平原岩应力的1.27倍，说明工作面薄基岩顶板跨落及时，对水平应力的传导作用比较低。

(2)由巷道变形监测曲线可知，薄基岩顶板采空区顶板断裂垮落迅速，开采动压对附近对掘巷道的前后影响在7～8 m范围内，影响时间短，但在较短时间内比较剧烈。薄基岩顶板对于采空区侧压力的传导率低，采空区更容易稳定。

(3)强力锚网支护实施高预应力后，使巷道围岩较大程度恢复为原始的三向应力状态，其整体强度得到恢复，尤其是薄基岩顶板，必须发挥有限厚度基岩的自身承载能力，才能承受其上覆黏土层的压力。

[1] 张涛，刘剑友，陈道志. 厚表土层薄基岩条件下回采巷道支护研究 [J]. 煤炭工程，2012(10)

[2] 贾喜荣.岩石力学与岩层控制 [M].徐州：中国矿业大学出版社，2010

[3] 贾后省，马念杰，赵希栋等. 深埋薄基岩大跨度切眼顶板失稳垮落规律 [J]. 采矿与安全工程学报，2014(5)

[4] 王德璋，李俊杰.动压巷道矿压显现规律及支护技术 [J].煤炭科学技术，2011(4)

[5] 张耀平，曹平，袁海平等.复杂采空区稳定性数值模拟分析 [J].采矿与安全工程学报，2010(2)

[6] 杨彪.基于FLAC3D的薄基岩区覆岩破坏高度数值模拟研究 [J].能源与环保，2017(1)

[7] 许家林，钱鸣高，金宏伟.岩层移动离层演化规律及其应用研究 [J].岩土工程学报，2004(9)

[8] 郭相参，张爱英.煤矿锚杆支护巷道顶板稳定性的监测方法 [J].煤矿支护，2009(3)

[9] 邱天德，程子厚. 深井井底车场围岩稳定性分析及合理形式确定 [J]. 中国煤炭，2014(7)

(责任编辑 陶 赛)

Study on control technology of surrounding rock of roadway affected by mining in thin bedrock

Tang Shijie

(Zhaogu No.1 Mine, Henan Energy Jiaozuo Coal Co., Ltd., Xinxiang, Henan 453634, China)

Considerable production practice showed that mining pressure was severe when the roof of mining roadway was thin bedrock. Besides, due to excavation-mining replacement, driving roadway began excavation before adjacent work face mining was done, which led to complex stress circumstance in roadway, seriously affecting the stability of surrounding rock. Based on FLAC3D software, this paper investigated the feasibility of bolt and cable supporting scheme from the aspects of roadway stress field, plastic zone and force on anchor cable, analyzed mining pressure behavior in thin bedrock through field test.

thin bedrock, stress field, plastic zone, cable anchor support, numerical simulation

唐世界. 受采动影响的薄基岩回采巷道围岩控制技术研究 [J]. 中国煤炭，2017,43(7)：58-61.TangShijie.Studyoncontroltechnologyofsurroundingrockofroadwayaffectedbymininginthinbedrock[J].ChinaCoal，2017,43(7)：58-61.

TD

A

唐世界(1982-)，男，满族，河北隆化人，工程师，现任河南能源化工集团焦煤公司赵固一矿总工程师，主要从事煤矿地质、巷道支护及采煤方法研究。