“三软”煤层沿空掘巷围岩力学环境及支护体承载性能分析

李宪振

（郑煤集团超化煤矿，河南 新密 452385）

郑煤集团新郑煤电主采煤层为二1煤层，属“三软”煤层，二1煤层厚度整体变化较大，局部区域变化极大，煤层呈粉状构造，且煤层内滑面、摩擦镜面比较发育。郑煤集团新郑煤电针对综放沿空掘巷围岩的特点，根据综放沿空掘巷围岩大、小结构稳定性原理，通过对综放沿空掘巷巷道围岩应力分布特点、巷道围岩变形特征，锚杆、锚索实际承载状况的变化规律研究，优化锚网支护参数，保证了“三软”煤层综放沿空掘巷围岩的稳定性[1-6]。

1 概况

12206工作面下付巷主要用于该工作面进风与煤炭运输，该巷北东邻12208工作面，南西邻12204工作面，南东邻采区回风上山保护煤柱。12206工作面下付巷所处位置如图1。

图1 12206工作面下付巷

12206工作面主采山西组底部二1煤层，煤质松软，强度较低。根据12204工作面实揭煤厚资料及钻孔资料，该巷煤厚变化3.4～14.9 m，平均厚度为8 m。二1煤层直接顶为炭质泥岩、砂质泥岩，底板为厚层状砂质泥岩，属于典型的“三软”煤层。12206工作面位于滹沱背斜轴部附近，工作面煤层底板整体呈单斜构造，煤层倾角为3°～8°。12206工作面下付巷井下标高为-166～ -131 m，当煤厚≤5 m时，沿二1煤层顶板掘进，当煤厚＞5 m时，沿二1煤层底板掘进，总工程量1074 m。

2 巷道围岩应力分布特征

2.1 数值模型

采用有限差分计算软件FLAC3D进行数值模拟分析，模型尺寸为：120 m×50 m×37 m，采用四边形等参单元，其边界条件为：左右两个面固定x方向位移，前后两个面固定y方向位移，底面固定x、y、z三个方向的位移。

煤层及顶底板岩层物理力学参数见表1。

表1 煤层及顶底板岩层物理力学参数表

12206工作面下付巷埋深为300 m，γ取值为2.4 kN/m3，因此垂直方向施加应力7.2 MPa，侧压力系数取1.1。模型采用莫尔-库仑（Mohr-Coulomb）屈服准则。

新掘巷道由于煤体松软，煤层掘出后手指滑过煤体便会掉下。巷道成型较差时，锚网支护遵循“掉到哪，锚到哪”的支护原则，不能为了保持巷道的美观而在网后背垫板、荆笆。12206工作面下付巷留设窄煤柱宽度为2 m，但在实际掘巷过程中不可避免地会产生超挖、欠挖现象。因此模拟窄煤柱宽度分别为1.5 m、2 m、2.5 m三种情况下，巷道围岩应力分布状态。

2.2 巷道围岩应力分析

窄煤柱宽度分别为1.5 m、2 m、2.5 m三种情况下，巷道围岩应力分布如图2。

图2 不同窄煤柱宽度下巷道围岩应力分布状态

由图2可知，沿空掘巷窄煤柱宽度在±0.5 m范围内变化时，巷道围岩应力分布状态存在明显差异，具体情况如下：

（1）窄煤柱宽度为1.5 m，巷道围岩变形比较强烈，窄煤柱一侧基本呈压酥状态，围岩承载性能很差。当支承压力向巷道顶板、底板转移时，导致巷道顶底板应力环境变差，围岩更容易发生塑性流变，造成明显的顶板下沉、底鼓现象；当支承压力向实体煤侧巷帮转移时，会使实体煤侧巷帮更广的范围内承受更大的支承压力。所以，要避免煤柱侧巷帮出现较大的超挖现象，一旦出现，要及时加强支护。

（2）沿空掘巷各个部位应力分布状态存在明显差异，当窄煤柱宽度为2 m时，窄煤柱侧巷帮有一定承载能力。由于“三软”煤层岩性很差，顶板破碎区范围较大，且破碎围岩呈干散状态，在重力作用下容易导致顶板下沉，在锚索支护时必须根据顶煤厚度选取锚索长度。如果顶煤厚度较大，可以采用短锚索使巷道围岩形成承压拱结构；如果顶煤厚度较小，所使用的锚索要保证锚固端能深入岩层内，对破碎围岩体起悬吊作用。上覆岩层载荷通过巷道两帮传递给巷道底板，引起底鼓。这也是沿空掘巷的基本特点之一，通过打底角锚杆可抑制回采巷道的底鼓。整体来说，巷道围岩承受应力水平，实体煤侧巷帮＞窄煤柱侧巷帮＞顶底板。进行支护设计时，要采取有效措施防止顶板下沉、底鼓及窄煤柱侧巷帮内移。

3 沿空掘巷围岩变形及支护体承载性能测试

3.1 测站布置

12206工作面下付巷断面为梯形，巷道净宽5600 mm，净高3400 mm，顶部采用钢筋网+硬质塑料网+H型钢带（横向）+锚索支护，帮部采用钢筋网+硬质塑料网+H型钢带+锚杆支护。顶部采用规格为Φ20 mm×2400 mm全螺纹等强螺纹钢锚杆，锚杆间排距为800 mm×800 mm；帮部采用规格为Φ20 mm×2000 mm全螺纹等强螺纹钢锚杆，锚杆间排距800 mm×800 mm。

测站中各监测仪器布置情况如图3。采用十字布点法观测巷道表面位移，采用顶板离层仪监测巷道顶板离层情况，采用锚索测力计监测锚索实际承受载荷，用测力锚杆替代普通锚杆监测锚杆杆体受力变化情况，通过在测力锚杆托板与螺母之间安装锚杆液压枕监测锚杆托锚力变化情况。

图3 测站各监测仪器布置图

3.2 沿空掘巷围岩变形规律

12206工作面下付巷表面位移变化情况如图4。由图可知，沿空掘巷巷道围岩表面位移以两帮内移为主，两帮位移量明显高于顶底板移近量。在滞后掘进迎头120 m左右时巷道围岩表面位移趋于稳定，两帮移近量在150 mm左右，顶底板移进量在93 mm左右。巷道围岩表面位移是反映巷道围岩稳定状况的综合指标，由于二1煤层受滑动构造影响，围岩自身强度很低，这也导致“三软”煤层沿空掘巷在围岩活动渐趋稳定时巷道围岩表面位移量偏大，围岩表现出一定的流变特性。

图4 巷道表面位移变化图

12206工作面下付巷顶板深部围岩位移变化情况如图5。由图5分析可知，顶板深部围岩在滞后掘进迎头150 m左右时趋于稳定，7 m深基点位移量在23 mm左右，3 m深基点位移量在15 mm左右。与巷道围岩表面位移相比，围岩在剪胀变形的同时，向巷道空间内产生了一定的整体位移。在“三软”煤层地质条件下，顶板破碎区围岩胶结性很差、强度很低，巷道围岩流变特性特别明显，粉状煤体可锚性差，水力冲孔易导致钻孔直径扩大，引起锚杆锚空失效。

图5 巷道顶板深部围岩位移变化图

3.3 沿空掘巷支护体承载变化规律

12206工作面下付巷测力锚杆杆体平均轴力变化情况如图6。由图6可知，6根测力锚杆平均轴力值在滞后掘进迎头120 m左右时趋于稳定，此时测力锚杆间平均轴力值存在明显差异。整体看来，位于实体煤侧巷帮5#、6#测力锚杆平均轴力最高，位于窄煤柱侧巷帮1#、2#测力锚杆平均轴力次之，位于顶板3#、4#测力锚杆平均轴力最低。这与图2的研究结论相照应，围岩承载性能越好，锚杆锚固力可以达到较高水平且不容易耗散，反之围岩岩性越差，锚杆无法达到较高锚固力且容易发生锚固失效现象。

图6 测力锚杆平均轴力变化图

12206工作面下付巷顶板锚索测力计受力变化情况如图7。由图7可知，三个顶板锚索测力计受力在滞后掘进迎头90 m左右时趋于稳定，三个锚索测力计压力值相差不大，顶板中央锚索受力略高于两侧锚索。这是由于此时锚索主要起悬吊作用，承受顶板破碎煤体重力作用，顶板中央挠度要高于两侧，导致中央锚索实际承受载荷要高于两侧锚索。

图7 锚索测力计受力变化图

4 结论

（1）当窄煤柱侧巷帮出现超挖现象，窄煤柱宽度小于设计值时，由于支承压力向巷道顶底板及实体煤侧巷帮转移，导致顶底板应力环境变差，围岩更容易发生塑性流变，要加强该侧帮支护。

（2）巷道围岩应力水平，实体煤侧巷帮＞窄煤柱侧巷帮＞顶底板，在进行支护设计时，要采取有效措施防止顶板下沉、底鼓及窄煤柱侧巷帮内移。

（3）“三软”煤层沿空掘巷巷道围岩表面位移量及深部岩体位移量偏高。这是由围岩体自身特性决定的，采用锚网支护时要注意解决粉状煤体可锚性差，水力冲孔易导致钻孔直径扩大，引起锚杆锚空失效等问题。

（4）“三软”煤层沿空掘巷各部位锚杆实际承载存在明显差异，呈现实体煤侧巷帮＞窄煤柱侧巷帮＞顶板的规律，而顶板锚索实际承受载荷差异相对较小，由于顶板中央挠度要高于两侧，导致中央锚索实际承受载荷要高于两侧锚索。