田学春

（枣庄市金庄生建煤矿，山东 滕州 277522）

随着煤矿开采的深度和强度不断增大，掘进巷道所处的围岩条件日趋复杂。大量的矿井生产实践表明，生产过程中遇到的重大技术研究问题如巷道围岩失稳破坏、冲击地压危险预警及治理、上覆岩层变形破坏等都与地应力紧密相关，矿井地应力场的研究受到普遍关注，生产实践中对地应力及围岩力学参数等基础技术数据的需要已越来越迫切。

1 工程概况

3北采区主采3下煤层，平均厚度约2.6 m，煤层赋存标高-500～ -630 m。煤层倾角5°～15°，平均8°左右。煤层直接顶为平均7.5 m厚的砂质泥岩层，老顶为砂岩层，直接底板为泥岩，如图1所示。本采区分西翼和北翼开采，按照0°方位角先掘进3北北翼01轨道巷，巷道净高×净宽=2700 mm×4000 mm，综掘，半煤岩巷Φ18 mm×2000 mm锚杆配合菱形网支护。掘进一个月内围岩移近量200～600 mm不等，顶板和肩窝下垂形成网兜，巷道被破坏较为严重。

图1 煤岩层综合柱状图

2 巷道破坏原因分析

（1）围岩岩性较差。煤层直接顶砂质泥岩厚度7.5 m，底板为泥岩，岩性强度低，节理裂隙较发育，结胶程度差，多为松散状态，围岩的自承力较差。

（2）支护方式有设计缺陷。采用地质雷达进行围岩松动圈的探测，结果如图所示2。顶板破坏深度3.5 m，两帮破坏深度2.5 m，底板破坏深度1.2 m。

图2 地质雷达探测的松动圈结果

（3）巷道支护构件损坏严重，导致菱形网撕裂，锚杆随巷道变形而移动。失去控制的围岩和被损坏的支护构件相互作用，进一步造成巷道变形破坏或出现冒顶。

（4）锚杆安装处于围岩松动圈内或者临界状态。顶板锚索安装在砂泥岩中，支护没有稳固的生根基础，做地应力测试看巷道是否处于高应力状态。

3 地应力测试

3.1 施工钻孔与应力计安装

在3北北翼01轨道巷后路取整体岩性较好区域，每间隔30 m设一个测点，共布置3个测点，对每个测点进行地应力测试。巷道净宽2A=4 m，设计钻孔深度L=10 m，钻孔施工完成，如图3。

图3 监测点钻孔布置

3.2 空芯包体应力计安装

当测试孔施工完成并冲洗干净后需要再次对小孔进行清洗干燥工作，完成干燥工作后进行应力计安装，如图4。

图4 钻孔应力计安装

3.3 应力解除

通过应力解除，得出最大主应力水平应力均值为13.43 MPa，方向角为N47.73°E～N71.64°E；最小水平主应力均值为5.77 MPa，方向角N218.07° E～N231.90° E；最大垂直应力均值11.83 MPa，方向角为N132.65°E～N152.54°E。

根据岩石等级划分标准，垂直应力与最小水平应力相差较大，最大水平应力与最小水平应力相差也较大，造成岩体内剪应力较大，不利于巷道围岩控制，需要对巷道进行优化设计。

4 优化采区设计

4.1 水平主应力对巷道的影响

巷道布置必须考虑地应力场中水平地应力的方向，即巷道的轴向应力应尽量与主应力方向相同。巷道布置方向与破坏情况和应力场分布关系如图5，得出结论为平行主应力巷道最稳定。

图5 水平应力方向和巷道变形

4.2 采区工作面走向方位角调整

地应力测试结果表明，巷道最大水平地应力方向角为N47.73°E～N71.64°E，根据巷道平行于水平主应力最稳定这一原则，并结合该区域断层走向分布，将3北采区北翼和西翼未掘工作面顺槽方位角由0°调整为56°，回采巷道近乎平行于最大水平主应力。采区优化设计如图6。

图6 调整回采工作面方位角后采区布置

4.3 支护对策与掘进断面优化设计

（1）加强顶板整体性。巷道顶板施工高预应力锚索，设计锚索Φ21.6 mm×6300 mm，间排距1200 mm×2000 mm。锚索支护对于破碎顶板效果显著，巷道由二向强支护应力状态变为三向高围压状态。

（2）提高两帮围岩强度。围岩破碎形成网兜，注浆可以实现锚注耦合加固，提高围岩强度防止变形，抑制顶板固定约束的偏移，减少底鼓。

（3）支护体系刚柔结合。巷道有高应力大变形特点，所以支护初期以锚网带柔性支护为主，在巷道的一次支护自稳性达到极限之前，顶板施工以刚性支护为主的锚索，帮部施工中空注浆锚杆注浆。

一次柔性支护。采用左旋螺纹钢锚杆Φ22 mm×3000 mm配合Φ6 mm×128 mm×128 mm钢筋网和W型钢带支护，锚杆间排距800 mm×800 mm。

二次刚性支护。顶板施工Φ17.8 mm×8300 mm锚索，间排距1200 mm×1600 mm，锚入顶板稳定岩层。帮部中空注浆锚杆Φ25 mm×3800 mm，采用425号普通硅酸盐水泥，浆液水灰比0.7:1，最大注浆压力2.5～3.5 MPa。

二次支护的时机选择。进行巷道围岩观测，等巷道基本稳定后，适当时间内进行二次支护，以至于围岩不会丧失自身的承载力。二次支护最佳时机是在一次支护巷道围岩变形稳定收敛后进行，一般在开掘数天后围岩变形速度小于0.05 mm/d，变形时间曲线出现稳定平缓拐点之后进行，如图7。

图7 工作面顺槽掘进巷道支护断面

5 效果检验

（1）根据3北翼01轨道巷掘进初期调整设计前设置的围岩移近量观测点原始记录，每隔40 m设置1个观测点，3个观测点观测结果表明，平均顶底移近量为496 mm。

（2）将3北北翼01轨道巷掘进方位角由0°调整为56°后，沿途隔60 m设置1个观测点，共3个观测结果数值较小，平均顶底移近量163 mm。

经过优化掘进支护断面和调整掘进方位角后，巷道围岩移近量明显减少。现场勘查，巷道破坏程度显著降低，如表1所示，收到良好效果。

表1 调整设计前后顶底移近量观测对比表

6 结语

若采区巷道按照不利的方位角掘进，在地应力的作用下，可能导致巷道遭受较为严重的破坏。即使采区设计已经完成，也要努力优化设计，根据地应力测试结果，调整掘进方位角，使之更符合要求。

巷道优化支护设计方案时，要充分考虑一次柔性支护和二次刚性支护的有效衔接，做到“两次支护，刚柔相济”，以期达到“安全可靠、技术可行、经济合理”之目的。