多次强动压巷道动态应力场围岩控制技术研究

[摘要] 常村煤矿因采掘衔接紧张，S5-7工作面瓦斯尾巷在S5-8工作面回采尚未结束，采空区尚未稳定时，就开始动压掘进，掘进期间S5-7瓦斯尾巷受到S5-8工作面超前支撑压力、回采结束后老顶垮落压力及相邻巷道S5-7轨顺掘进等的叠加影响。巷道支护难度很大。本文通过对多次强动压影响巷道动态应力场的研究，采用一次强力非对称围岩控制技术成功的解决了多次强动压巷道的支护问题。

[关键词] 多次强动压；应力叠加；数值模拟；非对称支护

中图分类号：P456.7文献标识码： A

Control Technology of Roadway in Development Stress

Filed with Many Dynamic Stress Influence

1 生产地质条件

常村煤矿S5-7工作面瓦斯尾巷，巷道埋深为396.5-415.6m。东邻S5-7轨顺，西邻S5-8皮顺。S5-7瓦斯尾巷与S5-7轨顺、S5-8皮顺净煤柱均为20m。S5-7瓦斯尾巷断面呈矩形，宽4.5m，高3.2m。S5-7工作面为孤岛工作面，工作面布置如图1所示，煤层柱状图如图2所示。通过现场地应力测量，最大水平应力为14.4MPa ，最小水平应力为7.4MPa，垂直应力为10.4MPa 。最大水平主应力方向为N44.9°E。

S5-7工作面瓦斯尾巷在S5-8工作面回采尚未结束时开始掘进，受到S5-8工作面回采超前支撑压力及回采结束后老顶垮落压力的影响，S5-7轨顺掘进及本工作面回采的影响，巷道支护难度很大。多次强动压的叠加影响是S5-7瓦斯巷变形破坏的的主要原因。

图 1S5-7工作面布置图

图2 S5-7瓦斯尾巷附近巷道工作面位置关系图

2 多次强烈动压影响巷道变形破坏数值模拟分析

根据常村煤矿S5-7瓦斯尾巷现场条件，建立数值模拟模型如图3和4。S5-7瓦斯尾巷采用的对称与非对称支护如图5和图6所示。根据S5-7瓦斯尾巷相邻工作面回采、巷道掘进顺序及无支护、对称支护和非对称支护分为以下三个方案：

方案1 S5-7工作面回采前后S5-7瓦斯尾巷无支护时，S5-7瓦斯尾巷两帮塑性区范围、位移及应力情况；方案2 S5-7工作面回采前后S5-7瓦斯尾巷两帮采用对称支护时（均未补打锚索），S5-7瓦斯尾巷两帮塑性区范围、位移及应力情况；方案3 S5-7工作面回采前后S5-7瓦斯尾巷采用对称支护和非对称支护时，S5-7瓦斯尾巷塑性区范围、位移及应力情况。

图3巷道与工作面整体模型效果图 图 4巷道位置与顶底板煤岩层分布图

图5 S5-7瓦斯巷对称支护图图6S5-7瓦斯尾巷非对称支护图

S5-8工作面回采影响

S5-8工作面回采后煤岩体内应力场分布情况如图7所示，S5-8工作面回采后，在工作面两侧形成应力集中，最大垂直应力为33.09MPa，最大水平应力为29.35MPa。工作面的顶板和底板处应力释放，形成应力降低区，工作面两侧煤岩体中形成应力集中是S5-7瓦斯尾巷变形破坏的主要原因。

（a）垂直应力（b）水平应力

图 7 S5-8工作面回采后煤岩体应力场分布图

2.2 S5-7瓦斯尾巷掘进影响

S5-7瓦斯尾巷受S5-8工作面回采影响，煤柱应力集中严重，S5-7瓦斯尾巷无支护时，最大垂直应力37.34MPa，最大水平应力29.00MPa；S5-7瓦斯尾巷采用锚杆对称支护时，最大垂直应力37.33MPa，最大水平应力29.00MPa；S5-7瓦斯尾巷采用锚索非对称支护时，煤柱内部垂直应力分布更为均匀，最大垂直应力33.07MPa，最大水平应力30.15MPa。

(a)无支护 (b)对称支护

(c)非对称支护

图8S5-8工作面回采后塑性破坏区分布图

从图8中可以看出，当S5-7瓦斯尾巷无支护时，塑性破坏区分布范围在靠近采空区一侧超过巷道宽度两倍范围。当S5-7瓦斯尾巷巷帮采用对称锚杆支护时，巷道围岩塑性破坏区明显减小，但分布范围仍较大，靠近S5-8工作面采空区巷帮破坏范围超过锚杆锚固范围。采用非对称锚索补强支护时，塑性破坏区继续减小，但都在锚固范围内。

S5-7工作面回采影响

S5-7工作面回采后，如图9所示。由于两侧采空区影响，煤柱内部垂直应力集中区域呈现“马鞍”形，最大垂直应力为37.37MPa，最大水平应力为30.34MPa，S5-7工作面前方煤岩体承受的超前支承压力约为26MPa。

（a）垂直应力 （b）水平应力

图9S5-7工作面回采后煤岩体应力分布图

无支护时S5-7瓦斯尾巷围岩破坏范围极大，塑性破坏区范围基本与两侧回采工作面回采煤柱中产生的塑性破坏区相互贯通；对称支护时S5-7瓦斯尾巷破坏范围明显缩小，受工作面回采影响，塑性破坏区范围普遍超过锚杆锚固范围；当采用非对称锚索补强支护后，S5-7瓦斯尾巷围岩得到有效控制。

（a）无支护 （b）锚杆对称支护 （c）非对称支护

图10 S5-7工作面回采后围岩塑性区分布图

2.4 小结

通过对不同支护方案数值模拟分析，S5-8工作面回采后，采空区两侧煤岩体中形成应力集中区，对S5-7瓦斯尾巷围岩的受力、变形和破坏产生影响。受S5-8工作面超前支撑压力影响，当选用非对称锚索补强支护后，S5-7瓦斯尾巷围岩破坏范围进一步缩小，煤岩体强度明显增加，煤岩体承受压应力的有效范围增大，受力均匀，应力集中程度下降。围岩塑性破范围超过了锚杆锚固范围，但均在锚索锚固范围之内，非对称补强锚索有效控制了围岩塑性破坏区的扩展。

3 多次强动压影响巷道支护参数

通过以上分析，多次强动压影响巷道围岩控制采用树脂加长锚固锚杆锚索组合支护系统。

3.1 顶板支护参数

锚杆长度2.4m，树脂加长锚固，两支树脂药卷，一支规格为MSK2335，一支规格为，MSZ2360，每排5根锚杆,排距900mm，间距950mm。钢筋托梁长度4300mm，金属网规格4900×1000mm；锚杆预紧扭矩要达到400Nm，且不能超过550Nm。

锚索长度5300mm，采用一支MSK2335和两支MSZ2360树脂药卷锚固，锚索采用三花布置，排距900mm，间距1900mm。全部垂直岩面打设。锚索预紧力初始张拉至300kN，损失后不低于250kN。

3.2 两帮支护参数

锚杆长度2.4m，树脂加长锚固，一支规格为K2335，一支规格为Z2360，钢筋托梁长度2900mm，金属网规格3100×1000mm。每排每帮4根锚杆，排距900mm，间距800mm。锚杆预紧扭矩要达到400Nm，且不能超过550Nm。

靠S5-8工作面侧，每排锚杆打两根锚索，另一侧无锚索，锚索长度4300mm,排距900mm，间距1200mm。采用树脂药卷锚固，一支MSK2335和两支MSZ2360。全部垂直煤帮打设。锚索初始张拉至300kN，损失后不低于250kN。

4 支护效果及评价

施工过程中为了对支护效果进行监测，及时对支护方案进行改进，为类似巷道的支护提供参考，在已施工段巷道进行了巷道监测，监测结果如下：

图11 巷道表面位移曲线图

图12锚杆受力监测曲线图图13锚索受力监测曲线图

根据多次动压巷道的围岩应力场的分布特征，提出的非对称支护技术有效的的控制了围岩的变形，现场实施以后，锚杆受力基本稳定，锚杆初始预紧力设计合理，能够很好的控制巷道围岩，保持其完整性，充分发挥其主动支护作用，支护设计合理。

5结论

(1) 相邻工作面S5-8回采、S5-7瓦排巷掘进及S5-7轨顺掘进等多次应力叠加是S5-7瓦排巷变形破坏的主要原因，应力叠加的不对称性，造成了S5-7瓦斯尾巷变形的不对称性。

（2）通过地应力测试及数值模拟分析，采用一次强力非对称支护后，巷道破坏范围缩小，应力集中降低，有效控制了围岩的变形破坏，保证了巷道的稳定。

(3) 通过常村煤矿S5-7瓦排巷进行非对称支护的研究，验证了该支护系统的科学性、合理性。变形得到有效控制，效果理想，为类似条件下的巷道施工提供了借鉴。

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作者简介：任俊伟（1979-），男，山西屯留县人，从事煤矿生产安全管理工作。