采空侧巷道围岩应力分析与控制技术研究

王文杰

(山西潞安环保能源开发股份有限公司常村煤矿，山西 长治 046100)

0 引 言

煤炭是我国能源的主要构成部分，是国民经济和社会发展的能源保障，但大规模高强度的煤炭开采活动造成浅部煤炭资源日益枯竭，煤炭开采转向深部发展[1]。深部地质条件复杂，高应力环境造成巷道大变形、频繁返修等问题，制约井下生产活动的顺利开展。 煤矿巷道围岩大变形主要与巷道深度、采掘活动及本身强度有关，高岩体自重应力、应力场叠加和低围岩强度更容易使巷道产生剧烈变形[2]。

煤矿工作面顶板结构的动态演变是围岩变形破坏重要影响因素，一直以来是学者们研究的重点之一，并由此诞生了一系列经典的理论假说来解释其内在机理，如铰接岩块理论、压力拱理论、关键层理论、砌体梁理论、传递岩梁理论、围岩松动圈理论、围岩强度强化理论等[3-8]。煤矿巷道支护技术的发展从最初的通过支护体完全承担压力逐渐到通过支护体和围岩共同承担压力，体现了人们对围岩结构的进一步认识并进行了现场工程应用。在巷道围岩控制技术方面，目前主要包括棚式支护、注浆加固、锚杆支护、联合支护以及顶板深孔爆破技术等[9-10]。

常村煤矿是设计生产能力700万t/a的国有特大型煤矿，工作面及巷道矿压显现明显，特别是随着开采深度的增加，地质条件更加复杂，巷道围岩变形增大，仅靠提高锚杆锚索密度的支护方式已经不能满足实际工作需求，迫切需要一种新的科学有效的方法解决这一难题。通过巷道围岩物理力学性质测试、数值模拟优化和现场实施监测研究S6-1皮顺顶底板力学参数、煤柱应力分布与巷道变形破坏规律，优化深部采空侧大变形巷道围岩控制技术，对解决常村煤矿S6-1皮顺支护难题提供具体的工程方案，进而创造良好的技术经济效益，同时为其他类似条件深部采空侧大变形巷道围岩控制提供有益借鉴。

1 工程地质概况

常村煤矿3#煤层位于山西组的中下部，平均厚度为6.05 m，含一层夹矸(炭质泥岩)。如图1所示，老顶为3.30 m灰色细粒砂岩，直接顶为0.87 m黑灰色泥岩、0.80 m浅灰色细粒砂岩与1.30 m黑灰色泥岩，直接底为1.11 m的黑色泥岩，基本底为4.24 m灰色细粒砂岩。S6-1工作面采空侧S6-1皮顺是本次研究对象，该巷道与S6-2工作面之间的护巷煤柱宽度为50 m。

图1 S6-1工作面综合柱状图

S6-1皮顺沿3#煤层底板布置，巷道为矩形断面(宽5.4 m，高3.0 m)。顶板采用“预应力让压锚杆+双钢筋托梁+锚索+金属经纬网”联合支护方式。顶板每排布置6根Φ22×2 400 mm让压锚杆和2根Φ22×6 300 mm锚索，两帮每排布置4根Φ22×2 400 mm让压锚杆，如图2所示。

图2 S6-1皮顺支护方案

2 试验巷道围岩应力变形分布特征

取3#煤层、顶底板的煤、泥岩、中粒砂岩和细粒砂岩试样进行物理力学试验。 煤、岩样单轴压缩实验分别加工成50 mm×50 mm×100 mm长方体、Φ50 mm×100 mm圆柱体，单轴拉伸试验分别加工成50 mm×50 mm×25 mm长方体、Φ50 mm×25 mm圆柱体，变角剪切试验分别加工成50 mm×50 mm×50 mm长方体、Φ50 mm×50 mm圆柱体。加载速度为0.3 mm/min，变角剪切试验对应角度45°、55°、65°。部分试验如图3和图4所示。

巷道围岩物理力学性质是巷道破坏的重要影响因素，包括岩层完整性、岩层结构、岩性成分、裂隙分布等。获得S6-1皮顺煤及顶底板物理力学参数和变形破坏特征，为后续数值模拟研究采空侧巷道应力分布和支切顶卸压护方案参数设计等提供基础数据。煤岩样强度测试结果见表1。

图3 岩样物理力学实验

图4 煤样物理力学实验

表1 煤岩样强度测试结果

根据所研究巷道的地质条件和工程情况，UDEC模型取走向×高度=580 m×61.2 m，煤层和顶底板岩层共16层，考虑到开采边界的影响，煤层两侧各设30 m的边界保护煤柱。模型四周约束水平方向位移，底部约束垂直方向位移，上部施加等效于上覆岩层及表土层重量的均布载荷9 MPa，模型采用莫尔-库伦模型。先开挖S6-2工作面，再开挖S6-1皮顺。煤柱侧向支承应力分布曲线和巷道顶板变形曲线分别如图5和图6所示。

图5 煤柱侧向支承应力分布曲线

图6 巷道顶板变形曲线

巷道围岩侧向支承应力峰值为25.87 MPa，应力集中系数为2.64，应力分布曲线呈梯形，煤柱中垂直应力峰值距离采空侧8 m。巷道顶底板最大移近量为338.8 mm，最大变形靠近巷道中间位置。

3 采空侧巷道切顶卸压方案设计

3.1 不同切顶高度对巷道围岩应力变形规律的影响

根据现场地质条件，3#煤层上方有细粒砂岩1、中粒砂岩、细粒砂岩2、细粒砂岩3共四层坚硬岩层，对应切顶高度分别为26.1 m、33.6 m、44.0 m和61.0 m。 通过UDEC模拟垂直于顶板方向切顶，以研究不同切顶高度对采空侧巷道围岩应力变形规律的影响。 不同切顶高度煤柱支承应力曲线如图7所示。

切顶高度为26.1 m、33.6 m、44.0 m和61.0 m时煤柱巷道侧支承应力峰值分别为16.53 MPa、15.00 MPa、14.58 MPa和14.70 MPa，分别占切顶前95.21%、86.40%、83.98%和84.67%。 煤柱峰值应力位于采空侧6 m左右位置，分别为28.5 MPa、24.8 MPa、23.1 MPa、25.0 MPa，分别占切顶前105.60%、91.85%、85.55%、92.59%。切顶高度为44.0 m时， 煤柱巷道侧和采空侧峰值应力均最小，增加了巷道围岩的稳定性。数值模拟结果显示， 切顶高度为61.0 m时顶板变形量最小，为109 mm，稍小于切顶高度为61.0 m时，顶板变形量为114 mm。考虑到切顶高度为44.0 m和61.0 m时顶板变形量，切顶高度为44.0 m时应力分布和工程施工均占优势，故认为切顶高度为44.0 m时卸压效果最好。

3.2 不同切顶角度对巷道围岩应力变形规律的影响

在煤矿现场，垂直切顶工程难度较大，故需要进一步探索切顶角度对切顶卸压效果的影响。 3.1部分结果表明最优切顶高度为44.0 m， 即煤层上方第二层细粒砂岩，本节研究切顶方向与竖直方向呈10°、20°、30°、40°夹角时采空侧巷道围岩应力变形规律的影响，煤柱应力变化曲线如图8所示。

图8 不同切顶角度下煤柱应力曲线

图9 S6-1工作面开挖后应力分布云图

切顶角的改变引起顶板岩层破断位置和煤柱支承应力分布改变，峰值应力在距离采空侧10～13 m位置变化。切顶角度为10°、20°、30°、40°时应力峰值分别为24.26 MPa、24.03 MPa、23.26 MPa、24.42 MPa，占切顶板前的92.4%、91.5%、88.6%、93.0%。切顶角度为30°时，煤柱中的支承应力峰值最小，同时煤柱巷道侧峰值也是四种角度中最小，为14.98 MPa，煤柱整体受力最小。不同切顶角度巷道宽度范围内顶板下沉量结果表明，切顶角度为30°时巷道顶板下沉量最小，为200 mm。故认为，切顶高度为44.0 m、切顶角度为30°时，切顶卸压的效果最好。

采取最优切顶措施后对S6-1工作面进行回采，回采结束后应力分布云图及煤柱应力曲线如图9和图10所示。

煤柱左侧距离巷道8 m处和右侧距离采空区6 m处出现应力集中现象，应力峰值分别为31.99 MPa和33.7 MPa，应力分布规律符合马鞍形分布规律，巷道侧应力较采空区侧偏低。 切顶卸压后，煤柱巷道侧支承应力峰值向煤柱内部转移，煤柱中间部分应力主要集中在20～26 MPa之间，达到了切顶卸压的效果。

图10 S6-1工作面开挖后煤柱应力曲线

图11 顶板深孔爆破切顶卸压布置图

4 切顶卸压现场试验

由深孔爆破原理可知，爆破深度需达到坚硬顶板岩层厚度的一半以上。由前文可知，炮孔深度至少25.4 m。为保证爆破效果，炮孔深度取30 m。S6-1工作面顶板深孔爆破切顶卸压设计方案与技术参数如下所述。

在皮顺沿采空区煤柱与实体煤方向间隔6 m打深钻孔，孔深30 m，装药12 m，封孔深度18 m，钻孔倾角60°，钻孔直径75 mm，炸药采用煤矿许用3号乳化炸药，药卷直径60 mm，每孔装药卷数为24个，封泥长度18 m。每孔均匀布置2个同段毫秒延期电雷管，孔内并联连线。一次起爆1个炮孔。钻孔每排布置两个，布置示意图如图11所示。

与此同时，试验段矩形巷道靠近煤柱处受变形破坏情况严重，需要进行巷道补强支护。顶板每排增加3根Φ22 mm×6 300 mm锚索，垂直于顶板布置。为验证切顶卸压和补强支护的效果，需要进一步煤柱上的应力分布和巷道变形随随着工作面的推进的变化规律。在试验巷道内布置7个测站，初始测站距离工作面开切眼175 m，测站间距25 m，测站布置如图12所示。

根据各测站内“十字测量法”所得数据，工作面回采期间巷道顶底板移近量及两帮移近量如图13所示。

图12 各测站测点位置示意图

图13 巷道表面位移

图14 巷道顶板离层

测站1～测站7顶底板移近量分别为471 mm、409 mm、377 mm、335 mm、362 mm、382 mm和432 mm，两帮移近量分别为445 mm、402 mm、373 mm、353 mm、387 mm、396 mm和416 mm，切顶卸压补强支护段巷道(测站3～测站5)顶底板移近量与两帮移近量均明显小于未卸压段。采用切顶卸压补强支护技术能够有效减小巷道围岩变形，基本满足工作面生产要求。 根据各测站内“DZY-8m型顶板离层指示仪”所得数据，回采期间巷道顶底离层情况如图14所示。

测站1～测站7锚索支护范围内离层值分别为152 mm、138 mm、134 mm、129 mm、132 mm、136 mm和140 mm，锚杆支护范围内离层值分别为122 mm、109 mm、105 mm、94 mm、100 mm、102 mm和110 mm，切顶卸压补强支护段巷道(测站3～测站5)顶板离层现象明显小于未加固段，顶板离层值在安全可控的范围内，能够保证工作面的安全生产。根据各测站内“YAD-200型锚索载荷监测仪”所测数据，回采期间锚索受力变化曲线如图15所示。

图15 锚索受力曲线

工作面距离测站60～-100 m距离时，锚索受力缓慢增加，支护方式能够有效控制巷道围岩初期变形，增加的工作阻力能够有效扩散到围岩中，有利于保护切顶卸压范围内围岩的完整性；切顶卸压补强支护段巷道(测站3～测站5)锚索受力平均为283 kN，与切顶卸压加固区外锚索平均受力317 kN相比，减小了10.7%。

5 结 论

1) 巷道围岩物理力学性质是巷道破坏的重要影响因素，通过对常村煤矿3#煤层和顶底板的煤、泥岩、中粒砂岩、细粒砂岩进行实验室物理力学测试得到了基本物理力学参数，再赋值到UDEC模型中模拟得到采空侧煤柱侧向支承应力呈现梯形分布，支承应力峰值为25.87 MPa，顶底板最大移近量为338.8 mm。

2) S6-1皮带顺槽煤柱峰值支承应力随切顶高度增加先减小后增加，切顶高度为44.0 m时峰值支承应力最小，比未切顶前减小14.45%，巷道顶板变形量为114 mm，比未切顶前减小66.3%，故确定最优切顶高度为44.0 m。

3) S6-1皮带顺槽煤柱峰值支承应力随切顶角度增加先减小后增加，切顶角度为30°时峰值支承应力最小，比未切顶前减小11.4%，巷道顶板变形量为200 mm，比未切顶时减小41.0%，综合考虑到施工难度等问题确定最优切顶角度为30°。

4) 顶卸压补强支护试验巷道矿压监测结果表明，切顶卸压区内顶底板移近量减少了20.6%，两帮移近量减少了13.7%，锚索支护范围内离层减少了9.5%，锚杆支护范围内离层减少了14.0%，锚索受力减小了10.7%，切顶卸压补强支护方案效果显著。