綜采工作面沿空掘巷礦壓顯現(xiàn)特征研究

馬 輝，冀新偉

(1.北京昊華能源股份有限公司長溝峪煤礦，北京 102400;2.河南神火集團有限公司葛店煤礦，河南 永城 476600)

近年來，隨著煤炭開采技術的不斷革新，無煤柱或小煤柱護巷技術在很多礦區(qū)都已經(jīng)得到實踐，沿空掘巷和沿空留巷技術是實現(xiàn)無煤柱和小煤柱護巷的兩種關鍵技術。然而現(xiàn)實中由于地質(zhì)、管理、技術成熟度等條件的制約，沿空留巷巷道維護起來相對困難，故在實踐中沿空掘巷運用較多，沿空掘巷能夠有效地實現(xiàn)煤炭資源的合理開發(fā)，提高煤炭資源采出率、延長礦井服務年限、緩解采掘接替矛盾，而且有利于礦井安全生產(chǎn)和改善礦井技術。

1 試驗巷道概況

淮南礦業(yè)集團張集北礦1410(1)工作面位于西二11－2煤淺部采區(qū)南鄰1411(1)工作面采空區(qū)，煤層傾角5°～10°，工作面標高 －424～ －381 m，地質(zhì)條件相對簡單;沿1411(1)工作面采空區(qū)邊緣留設6～7煤柱掘巷，巷道斷面為矩形，凈斷面為4.8 m×3.2 m錨梁網(wǎng)+錨索支護。1410(1)工作面11煤層柱狀圖見圖1。

2 數(shù)值模擬

以張集礦1410(1)工作面地質(zhì)條件和工程背景為依據(jù)，運用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立分析模型，模擬分析了在掘進期間巷道圍巖的塑性區(qū)、垂直應力、巷道圍巖的變形特征。

圖1 1410(1)工作面11煤層柱狀圖

2.1 模型建立及參數(shù)選取

采用摩爾－庫倫本構模型，模型左右及底部采用固支位移邊界條件，頂部采用應力邊界條件。數(shù)值模型總的寬度為120 m，總高度為89.1 m，部分巖層的力學參數(shù)，見表1。

2.2 模擬結(jié)果

依據(jù)FLAC3D建模原則，采用莫爾－庫侖(Mohr－Coulomb)屈服準則判斷巖體的破壞、應變軟化模型，反映煤體破壞后隨變形發(fā)展殘余強度逐步降低的性質(zhì)，沿空掘巷應力分布及圍巖的變形特征如圖2，圖3，圖4，圖5所示。

表1 巖層的巖石力學參數(shù)

通過模擬得出:

1)受相鄰工作面采空區(qū)影響，巷道圍巖應力呈現(xiàn)不均勻分布，巷道下幫處于應力集中區(qū)。

2)由于沿空掘巷留設煤柱只有8 m，掘進期間隨著時間的推移，煤柱發(fā)生壓垮變形，塑性區(qū)不明顯。

3)模擬得出掘進期間巷道表面移近量是不同的，其中頂板變化最大，其次是巷道下幫，底板變形最小。

3 巷道穩(wěn)定性現(xiàn)場實測與分析

3.1 巷道表面位移

1410(1)工作面運輸巷道臨近1411(1)工作面，屬于沿空掘巷，故表面位移采用十字交叉法在其內(nèi)距工作面50 m、120 m斷面布置表面位移測點，當班測量頂?shù)缀蛢蓭鸵平?，定期處理分析，累計變形量和變形速度曲線圖見圖6，圖7。

圖6 回采期間表面移近量曲線

圖7 回采期間巷道表面移近速度曲線

巷道表面位移觀測結(jié)果表明:

1)巷道兩幫位移變化比頂?shù)鬃兓?，其中兩幫最大移近量?75 mm，頂?shù)鬃畲笠平繛?50 mm;另外兩幫累計位移量最大為1000 mm，頂?shù)桌塾嬑灰屏孔畲鬄?60 mm。

2)機巷圍巖移動可劃分為三個階段，第一階段為圍巖運動劇烈期，即遠離迎頭約40 m，在此期間巷道表面位移變化劇烈;第二階段為圍巖運動平緩期，期限為第一階段末到遠離迎頭約80 m，在此期間，圍巖運動慢慢減小，并逐步趨于穩(wěn)定;第三階段為圍巖運動穩(wěn)定期，即遠離迎頭80 m以外，表面位移變化很小，在此期間圍巖運動基本穩(wěn)定。

3.2 巷道深部位移

研究巷道深部位移能夠了解回采工作面圍巖的塑性圈范圍及煤體松動破壞圈范圍，1410(1)工作面深部位移曲線如圖8，圖9。

巷道深部位移觀測表明:

1)工作面推進方向:由圖8可知，隨工作面的推進，在距工作面平均80 m左右處各基點位移變化開始明顯，說明工作面前方80 m范圍內(nèi)受到回采采動影響，這與表面位移觀測結(jié)果基本一致。

2)垂直工作面方向:由圖8可知，2 m與4 m位移發(fā)生了很大的突變，最大相差為30 mm，而2 m到更深處位移變化不是太大，向巷道方向位移依次減小，中間沒有太大的分離空間，說明傾向2 m以內(nèi)煤體發(fā)生了分離，由此可以判斷機巷煤體塑性區(qū)寬度在2 m左右。

3.3 煤體支承力

研究沿空巷道的煤體支撐力能夠較為準確地反映出工作面采動對沿空巷道的影響范圍，通過現(xiàn)場觀測得出回采期間沿空巷道中的錨桿錨索應力變化曲線圖見圖10。

圖10 錨桿錨索應力變化曲線

由圖10可見，運輸巷錨桿錨索應力變化在距工作面80 m以外變化不是很明顯，隨著工作面推進到離測站80 m以內(nèi)時錨桿錨索應力開始有明顯變化，當距測站45 m左右時應力計應力出現(xiàn)劇烈變化，當工作面距測站15 m左右時達到峰值。

4 結(jié)論

1)通過數(shù)值模擬得出，掘進期間沿空掘巷留設8 m小煤柱隨著時間的推移會出現(xiàn)壓垮破壞，巷道圍巖變形不一致，頂板變形最大，下幫次之，底板最小。

2)1410(1)工作面沿空巷道在回采期間巷道表面位移變化量大，工作面采動對沿空巷道的影響比較劇烈，工作面超前支護距離不能小于80 m。

3)1410(1)沿空巷道靠近工作面實體煤側(cè)深部位移規(guī)律:淺部位移變化量大于深部變化量，且當工作面推進距測點80 m處時，煤體出現(xiàn)松動破壞，破壞深部為2 m左右。

4)工作面煤體支承應力峰值位置位于工作面超前15 m左右。

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