深部回采巷道稳定性分析与控制研究

霍栋浩

（山西兰花科创玉溪煤矿有限责任公司，山西 晋城 048000）

1 概况

皇联煤矿主采5#煤层，埋深在720m左右，煤层厚度在3.15～4.6m之间，倾角在4°～11°。15141工作面回采巷道留有一定厚度的顶煤，顶煤上部为泥岩与砂质泥岩，顶板岩层总体变化较大，具较强的不稳定性。15141工作面采用“三巷布置”方式，具体为：瓦斯抽放巷（回风巷）、主运巷、回风巷，如图1所示。其中一号煤柱的宽度为12m，二号煤柱的宽度为25m，这两条回风巷在实际使用的过程中均处于采动影响之下。现场工程实践表明，在一次采动之后，两条回风巷总体变形较小，处于总体可控的范围内，但在二次采动期间，整体表现出强烈的变形，特别是巷道底鼓量较大，顶板下沉严重，出现了大面积的冒顶问题。在区段巷道的西侧有一个与回风巷道近似平行的F601正断层，落差6～8m，倾角55°～75°。针对这种情况下，主要通过增强支护强度的方式来控制。在两条巷道中进行了3～4次的锚索支护补强，但是从控制效果来看，未实现较好控制，给煤矿安全高效生产带来了较大的威胁。

图1 工作面巷道布置示意图

2 巷道变形破坏特征

原巷道设计采用U29型钢棚对称布置方式，间距为700mm。为掌握巷道出现变形破坏的原因，对巷道变形情况进行了现场勘查。

2.1 巷道总体收敛较快

巷道在掘进期间就出现了明显的收缩，且整体的时间较短。根据现场观测，在巷道掘进的40d内，顶板和底板相对移近量在550～630mm之间，移动速度平均达到了15.2mm/d；巷道两帮移近量在560～810mm之间，移动速度平均达到了17.1mm/d。在本工作面采动过程中，由于采动影响较为明显，巷道出现了较大的变形破坏，进行了多次的刷帮、卧底、挑顶。

2.2 巷道顶板出现了明显不对称变形

在巷道掘进的40d内，巷道顶板下沉量较大，平均达到330mm，下沉速度平均达到了6.9mm/d。其中与断层距离相对较近的顶板肩角，最大下沉量超过了400mm，下沉速度平均达到了7.9mm/d，且顶板下沉表现出明显的非对称性，在距离断层侧的巷道顶板下沉量明显较大，下沉速度也相对较快。

2.3 巷道两帮出现了明显不对称变形

在同一水平的巷道两帮出现了较为明显的不对称变形。在掘进的40d内，距离断层较近的巷道煤帮最大的移近量接近570mm，移近的速度超过了14mm/d，在实体煤帮层的最大移近量接近260mm，平均移近速度为5.2mm/d。

3 巷道变形破坏机理分析

为了掌握巷道变形破坏出现的具体原因，选择使用FLAC3D对其进行了数值模拟，根据巷道所处位置构建了对应的数值计算模型。具体模拟过程为：首先对邻近的工作面进行分步开采，在模拟开采计算的过程中，对目标巷道进行开挖。

3.1 非对称采动应力影响

在临近的工作面开采之后，在采动应力和断层扰动的影响下，在目标巷道的掘进位置形成了两个明显的采动应力集中区，主要集中在巷道的帮部和肩角，图2所示。从图2可知，采动应力集中区域的应力最大数值已经超过35MPa，同时，目标巷道位于采动应力梯度变化非常剧烈的区域，目标巷道两侧的压力差值接近6MPa。复杂应力作用及巷道两侧受力的不均匀性，导致巷道围岩出现了明显的大变形，也容易导致原支护U29型钢出现偏载受压的情况，导致目标巷道局部出现了过早的失稳和破坏。

3.2 断层周边剪切滑移破坏因素

目标巷道在开挖之后，在集中应力的影响下，断层侧的巷道肩角的位置首先出现拉剪复合破坏，导致形成挠曲离层变形。因为这个位置和断层的实际距离相近，断层滑移面侧向约束作用降低明显，在一定程度上加剧了断层附近剪切滑移破坏的严重性，图3所示。断层侧肩位置煤体的总体承载能力下降明显，稳定性也自然减少，塑性破坏区域向底角位置、断层侧帮部位置出现了明显的扩展，这也是导致断层侧出现破坏明显超过实体煤侧的主要原因之一，导致目标巷道在掘进期间出现了明显的非对称变形情况。随着巷道断层侧变形失稳情况的不断加剧，巷道整体的支护体也必然出现整体支护失效。

图2 目标巷道附近采动应力场

图3 目标巷道周边位移场

3.3 软弱煤岩体膨胀变形因素

从目标巷道围岩组成情况来看，除了顶煤之外，在巷道的顶板和底板均有明显的泥岩成分，同时，煤岩体内巷道节理裂隙发育明显，总体的自我稳定能力较差，再加上目标巷道整体处于非对称的高应力场中，巷道内部裂隙扩展明显，容易形成非连续碎胀大变形。

4 巷道围岩稳定性控制分析

4.1 巷道围岩非对称变形稳定性控制对策

根据现场勘查及模拟研究，导致目标巷道出现非对称变形的主要原因是在断层侧肩角部位由于受断层以及集中应力影响，围岩变形与巷道支护体之间出现了明显的不协调，即形成了关键位置首先破坏，随着破坏范围的不断扩大，整个支护系统逐渐整体失稳。因此，在返修方案中需以锚杆支护为根本，使用锚索支护进行强化，特别是对关键位置进行注浆加固，从而形成围岩和支护体之间的协调变形，推动形成围岩和支护体一体化支护，确保目标巷道载荷的均匀性。

4.2 高阻让压支护对策

考虑目标巷道总体埋深及所处地质环境，仅从高强度支护的角度进行返修，与深部巷道支护理念不相符，容易在巷道围岩内形成超高能量积聚，不利于巷道稳定。本次返修选择使用高阻让压锚杆配合锚杆+锚索+注浆进行返修，形成复合支护结构。

5 巷道返修方案

（1）顶板支护。选择让压锚杆5根对称布置，参数为Φ20mm×2400mm，间排距均为800mm。为了提高靠近断层侧的支护效果，断层侧的让压锚杆设计采用双让压管，其余均采用单让压管。顶板锚索设计采用Φ18.9mm×7300mm，间排距为1600mm×2100mm，为了提高靠近断层侧的支护效果，断层侧补打1根锚索。

（2）两帮支护。在巷道实体煤帮侧采用让压锚杆，数量为4根，参数为Φ20mm×2400mm，间排距均为800mm，均为单让压管。在断层侧的锚杆使用让压锚杆，数量为5根，参数为Φ20mm×2400mm，间排距均为800mm，均为双让压管。

图4 让压锚杆与锚索支护示意图

（3）注浆加固支护。为了提升巷道断层侧肩部总体支护强度，本设计对肩部进行注浆加固，采用深孔注浆，间排距设计为1600mm×1000mm，每排布置注浆孔的数量为2个，与水平方向的夹角分布为15°、30°，注浆孔Φ42mm，水灰比为1.5:1，压力控制在1.5～3MPa。

6 效果

为了掌握返修支护方案效果，采用十字交叉法对巷道变形情况进行了观测。变形情况见图5所示。

图5 返修后巷道围岩变形曲线

从图5可知，在返修之后，巷道围岩整体变形量相对于返修之前出现了明显的下降，均处于有效可控的范围内，且两侧的变形呈现出均匀化，巷道出现的非对称变形问题得到了较好的控制，较好满足了巷道安全生产的需要。