多次動(dòng)壓影響下小煤柱巷道圍巖變形分析與控制

吳建星，吳擁政，王子越，方樹林

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 北京開采研究院，北京 100013)

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多次動(dòng)壓影響下小煤柱巷道圍巖變形分析與控制

吳建星1,2，吳擁政1,2，王子越1,2，方樹林1,2

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 北京開采研究院，北京 100013)

[摘要]為解決多次動(dòng)壓影響下小煤柱巷道支護(hù)的技術(shù)難題，針對(duì)漳村煤礦2205回風(fēng)巷受多次動(dòng)壓影響、礦壓顯現(xiàn)明顯的特點(diǎn)，分析了其變形破壞因素，模擬研究了2205回風(fēng)巷掘進(jìn)動(dòng)壓、2203工作面超前支承應(yīng)力、2203采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力及2205工作面超前支承應(yīng)力對(duì)巷道的影響，提出了2205回風(fēng)巷圍巖控制方案。研究結(jié)果表明，采用全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固強(qiáng)力錨桿錨索組合支護(hù)系統(tǒng)并加強(qiáng)巷幫支護(hù)后，能夠很好地解決多次動(dòng)壓影響下小煤柱巷道支護(hù)難題。

[關(guān)鍵詞]多次動(dòng)壓；高預(yù)應(yīng)力；強(qiáng)力錨桿支護(hù)；全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固

[引用格式]吳建星，吳擁政，王子越，等.多次動(dòng)壓影響下小煤柱巷道圍巖變形分析與控制[J].煤礦開采，2015，20(6)：67-71，118.

巷道掘進(jìn)與支護(hù)是煤礦開采的重要環(huán)節(jié)，巷道的穩(wěn)定與安全與否直接影響著礦井的正常生產(chǎn)。隨著支護(hù)技術(shù)的發(fā)展，錨桿支護(hù)已成為我國(guó)煤礦巷道主要支護(hù)方式，尤其高強(qiáng)錨桿的出現(xiàn)，基本解決了普通條件巷道支護(hù)[1-4]。但是，隨著開采深度加大，地質(zhì)條件會(huì)更加復(fù)雜和惡劣，動(dòng)壓已是影響巷道支護(hù)質(zhì)量和效果的一個(gè)主要因素，采用何種支護(hù)方式才能確保巷道的安全使用以及后期工作面的安全回采，是困擾廣大工程技術(shù)人員的一大技術(shù)難題[5-7]。尤其是當(dāng)本工作面尚未回采結(jié)束時(shí)就開始掘進(jìn)巷道，巷道既受自身掘進(jìn)動(dòng)壓的影響，同時(shí)又受到相鄰工作面回采超前支承應(yīng)力以及采空區(qū)基本頂來壓的影響，應(yīng)力疊加，造成巷道圍巖應(yīng)力較高，煤巖體較為破碎，錨桿錨索受力較大，甚至發(fā)生破斷，從而使支護(hù)失效，引發(fā)頂板事故，給礦井的安全生產(chǎn)帶來極大隱患，因此亟需全面系統(tǒng)地對(duì)多次動(dòng)壓影響下小煤柱巷道圍巖控制技術(shù)進(jìn)行研究。

1工程概況

試驗(yàn)地點(diǎn)為漳村煤礦2205工作面回風(fēng)巷，寬度為5.0m，高為3.5m，凈斷面為17.5m2，沿3號(hào)煤層中間掘進(jìn)，留1.5m厚頂煤，巷道長(zhǎng)度為1599m，3號(hào)煤體平均單軸抗壓強(qiáng)度9.6MPa。

2205回風(fēng)巷南與2203工作面相鄰(掘進(jìn)時(shí)2203工作面正在回采)，2205回風(fēng)巷與2203運(yùn)輸巷之間凈煤柱為8m；2205回風(fēng)巷北與2205瓦斯巷相鄰，二者之間的凈煤柱為15m(已掘)。2205回風(fēng)巷掘進(jìn)方向與2203工作面回采方向相向，2205回風(fēng)巷不僅將受到自身掘進(jìn)動(dòng)壓影響，同時(shí)還將受到2203工作面回采超前支承壓力、不穩(wěn)定采空區(qū)側(cè)向支承壓力及2205工作面回采超前支承壓力的影響，預(yù)計(jì)巷道圍巖應(yīng)力大，礦壓顯現(xiàn)劇烈。2205回風(fēng)巷平面布置如圖1所示。

根據(jù)鉆孔柱狀(圖2)顯示，2205回風(fēng)巷直接頂及基本頂分別為2.58m和2.8m厚的泥巖，之上為5.75m厚的中粒砂巖，頂板圍巖呈厚層狀，完整性一般。

圖2　巷道頂板圍巖柱狀

根據(jù)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，2205回風(fēng)巷最大水平主應(yīng)力5.77MPa，垂直主應(yīng)力8.78MPa，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹W60.9°。垂直主應(yīng)力大于最大水平主應(yīng)力，屬于自重應(yīng)力場(chǎng)。

2多次動(dòng)壓影響下小煤柱巷道穩(wěn)定性數(shù)值分析

為了詳細(xì)分析多次采動(dòng)影響下小煤柱巷道穩(wěn)定性，根據(jù)漳村煤礦2205回風(fēng)巷的地質(zhì)資料與生產(chǎn)條件，采用有限差分軟件FLAC3D分別對(duì)2205回風(fēng)巷在掘進(jìn)期間和2203，2205工作面回采期間巷道變形、應(yīng)力及塑性區(qū)分布情況進(jìn)行模擬。本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫模型，底面固支，前后左右四面鉸支，模型長(zhǎng)寬高分別為363m×200m×25m，共計(jì)132500個(gè)單元(圖3)。

圖3　2205回風(fēng)巷數(shù)值模型

2.1巷道變形

圖4～圖6為2205回風(fēng)巷在不同狀態(tài)時(shí)巷道變形情況。

圖4　2205回風(fēng)巷垂直位移分布云圖演化

從圖中可以看出，隨著受到擾動(dòng)次數(shù)及強(qiáng)度的增大，巷道變形量逐漸增大。當(dāng)僅受自身掘進(jìn)動(dòng)壓影響時(shí)，巷道頂?shù)装逡平考皟蓭鸵平容^小，受到相鄰工作面超前支承壓力及不穩(wěn)定采空區(qū)側(cè)向支承壓力、本工作面超前支承壓力影響后，巷道變形急劇增加，且以兩幫移近為主，兩幫最大移近量達(dá)到1400mm。

圖5　2205回風(fēng)巷水平位移分布云圖演化

圖6　不同狀態(tài)時(shí)2205回風(fēng)巷變形情況

2.2圍巖應(yīng)力

圖7,圖8為2205回風(fēng)巷圍巖垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力演化情況。從中可以看出，隨著巷道受到擾動(dòng)次數(shù)及強(qiáng)度的加大，巷道圍巖應(yīng)力增大。受到相鄰工作面超前支承壓力及不穩(wěn)定采空區(qū)側(cè)向支承壓力、本工作面超前支承壓力影響后，巷道圍巖應(yīng)力急劇增加，水平應(yīng)力最大為27MPa，垂直應(yīng)力最大為17MPa，均為原巖應(yīng)力的2~3倍，且水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，說明巷道主要受到側(cè)向壓力。

圖7　2205回風(fēng)巷圍巖垂直應(yīng)力演化

2.3圍巖塑性區(qū)

圖8　2205回風(fēng)巷圍巖水平應(yīng)力演化

圖9為2205回風(fēng)巷巷道塑性區(qū)演化情況。隨著巷道受到擾動(dòng)次數(shù)及動(dòng)壓強(qiáng)度的加大，2205回風(fēng)巷圍巖塑性區(qū)破壞范圍不斷擴(kuò)大。本巷道掘進(jìn)時(shí)，受自身開挖動(dòng)壓影響，2205回風(fēng)巷圍巖一定范圍內(nèi)產(chǎn)生塑性破壞，其中兩幫破壞深度大于頂?shù)装?；相?203工作面回采時(shí)，隨著二者相對(duì)位置的變化，2205回風(fēng)巷依次受到2203回采工作面的超前采動(dòng)壓力、采空區(qū)頂板周期來壓及側(cè)向支承壓力影響，右側(cè)(靠近2203工作面一側(cè))圍巖塑性區(qū)破壞深度不斷加深，先是右?guī)兔后w產(chǎn)生塑性區(qū)，然后向右側(cè)頂板深部蔓延，但是左側(cè)(靠近2205工作面一側(cè))塑性區(qū)范圍沒有發(fā)生明顯擴(kuò)大，2203工作面推進(jìn)80m后，小煤柱依然保持穩(wěn)定，說明其處于應(yīng)力降低區(qū)；本工作面(2205)回采時(shí)，2205回風(fēng)巷同時(shí)受到2203采空區(qū)殘余側(cè)向支承壓力和2205工作面采動(dòng)壓力影響，左側(cè)圍巖塑性范圍開始擴(kuò)大，頂板的破壞程度甚于兩幫，煤柱局部產(chǎn)生剪脹現(xiàn)象。

圖9　2205回風(fēng)巷圍巖塑性區(qū)演化情況

綜上所述，可以歸納以下幾點(diǎn)：

(1) 2205工作面留設(shè)8m保護(hù)小煤柱，煤柱長(zhǎng)期保持穩(wěn)定，能夠滿足相鄰工作面和本工作面回采期間的巷道維護(hù)要求。

(2)隨著掘進(jìn)頭和工作面相對(duì)位置的變化，2205回風(fēng)巷依次受到自身掘進(jìn)動(dòng)壓、2203工作面超前采動(dòng)壓力、采空區(qū)頂板周期來壓、側(cè)向支承壓力及2205工作面采動(dòng)壓力的影響，多種動(dòng)壓疊加，巷道應(yīng)力水平集中、擾動(dòng)程度強(qiáng)烈，需要采取強(qiáng)度及剛度較高的強(qiáng)力支護(hù)方式。

(3) 2205回風(fēng)巷受動(dòng)壓影響期間，煤幫是整個(gè)圍巖結(jié)構(gòu)中的薄弱部位，多次動(dòng)壓擾動(dòng)，導(dǎo)致煤體破碎，塑性區(qū)深度發(fā)展，因此屬于支護(hù)的關(guān)鍵部位，需要采取錨索對(duì)深部進(jìn)行加固。

3多次動(dòng)壓影響下小煤柱巷道圍巖控制對(duì)策

基于數(shù)值分析結(jié)果，依據(jù)強(qiáng)力一次支護(hù)理論[8-9]，采用數(shù)值模擬及工程實(shí)踐相結(jié)合的手段，確定2205回風(fēng)巷采用全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固強(qiáng)力錨桿錨索組合支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行支護(hù)，對(duì)煤幫薄弱部位采取錨索進(jìn)行加固。具體支護(hù)參數(shù)如下:

錨桿材質(zhì)為超高強(qiáng)熱處理錨桿CRM500號(hào)鋼，直徑22mm，長(zhǎng)度2400mm，延伸率不低于20%，沖擊吸收功不低于80J。錨桿采用W鋼護(hù)板與鋼筋托梁組合構(gòu)件護(hù)頂，采用W鋼護(hù)板進(jìn)行護(hù)幫。錨桿預(yù)緊力為400N·m，頂板及兩幫間距分別為1100mm和900mm。錨固方式：錨桿采用1支MSK2630及3支MSM2650的樹脂錨固劑實(shí)現(xiàn)全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固。

采用錨索對(duì)頂板及兩幫進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。錨索材料為：φ22mm，1×19股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，延伸率7%，頂幫錨索長(zhǎng)度分別為5300mm和4300mm，采用1支MSK2330和2支MSZ2360樹脂藥卷錨固，錨固長(zhǎng)度1900mm。頂板每排錨桿打設(shè)2根錨索，排距為900mm；每幫每2排錨桿打設(shè)3根幫錨索，排距為900mm，錨索預(yù)緊力為300kN。

圖10為2205回風(fēng)巷支護(hù)斷面。

圖10　2205回風(fēng)巷支護(hù)斷面

4效果評(píng)價(jià)與分析

為了對(duì)全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固強(qiáng)力支護(hù)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)及分析，在2205回風(fēng)巷安裝了綜合測(cè)站，測(cè)站位置位于2203工作面后方約50m，對(duì)掘進(jìn)期間巷道表面位移及錨桿、錨索受力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

4.1巷道位移監(jiān)測(cè)

圖11為2205回風(fēng)巷掘進(jìn)期間表面位移監(jiān)測(cè)曲線，從中看出：隨著距掘進(jìn)工作面距離的增加，巷道兩幫位移量和頂板下沉量逐漸增大，采空區(qū)側(cè)幫最大移近量為48mm，工作面幫最大移近量為39mm，兩幫最大移近量為87mm，頂板最大下沉量為28mm，說明掘進(jìn)期間巷道變形較小，支護(hù)有效。此外，回采期間發(fā)現(xiàn)2205工作面超前支承壓力段巷道兩幫最大位移量約800mm，僅約為一般支護(hù)條件下巷道變形量的40%，說明巷幫采用強(qiáng)力錨索加固效果明顯。

圖11　2205回風(fēng)巷掘進(jìn)期間表面位移監(jiān)測(cè)曲線

圖12　2205回風(fēng)巷掘進(jìn)期間錨桿受力監(jiān)測(cè)曲線

4.2錨桿受力監(jiān)測(cè)

2205回風(fēng)巷掘進(jìn)期間錨桿受力監(jiān)測(cè)曲線如圖12所示，在巷道同一斷面內(nèi)共安裝了9個(gè)錨桿測(cè)力計(jì)，其中兩幫(中部2根)各2個(gè)，頂板為5個(gè)，自采空區(qū)側(cè)幫下部錨桿依次編號(hào)為1號(hào)~9號(hào)。從監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，初始施加預(yù)緊力后，多數(shù)錨桿受力為40~80kN(僅2號(hào)錨桿為30kN)，此后，錨桿受力變化不大，受掘進(jìn)擾動(dòng)影響不大，最大受力為127kN，說明錨桿初始預(yù)緊力施加合理，能夠保證巷道圍巖不產(chǎn)生離層及破壞。巷道回采期間，由于錨桿測(cè)力計(jì)受損，僅對(duì)個(gè)別測(cè)力計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)錨桿受力最大達(dá)到220kN，但仍處于安全強(qiáng)度范圍內(nèi)。

4.3錨索受力監(jiān)測(cè)

2205回風(fēng)巷掘進(jìn)期間錨索受力監(jiān)測(cè)曲線如圖13所示，為了方便分析，對(duì)錨索測(cè)力計(jì)進(jìn)行了編號(hào)，自采空區(qū)側(cè)幫下角錨索起逆時(shí)針依次編號(hào)為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)。通過監(jiān)測(cè)可以發(fā)現(xiàn)：首先，錨索預(yù)緊后，初始受力基本均在200kN左右，此后2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)錨索受力變化不大，基本穩(wěn)定在200kN附近，說明初始預(yù)緊力施加合理，能夠有效控制頂板深部離層的發(fā)生；并且，1號(hào)、6號(hào)錨索受力變化受擾動(dòng)變化較大，分別在距掘進(jìn)頭距離30m及50m后趨于穩(wěn)定，最大受力為530kN，說明小煤柱動(dòng)壓巷道極易發(fā)生底鼓現(xiàn)象，幫下角錨索能夠有效抑制巷道底鼓的發(fā)生。

圖13　2205回風(fēng)巷掘進(jìn)期間錨索受力監(jiān)測(cè)曲線

總體來看，2205回風(fēng)巷采用全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固強(qiáng)力錨桿錨索支護(hù)后，巷道變形量較小，錨桿錨索受力穩(wěn)定，支護(hù)效果良好。

5主要結(jié)論

(1)漳村煤礦2205回風(fēng)巷，由于煤柱尺寸小，且受到多次動(dòng)壓擾動(dòng)，應(yīng)力重新分布疊加，造成巷道圍巖應(yīng)力增大，巷道變形量增大，塑性區(qū)范圍擴(kuò)大，屬于典型的多次動(dòng)壓影響下小煤柱回采巷道，支護(hù)難度較大。

(2)采用數(shù)值模擬手段，分析了漳村2205回風(fēng)巷受到本巷道掘進(jìn)、相鄰工作面超前支承壓力、不穩(wěn)定采空區(qū)側(cè)向支承壓力及本工作面回采超前支承壓力時(shí)，巷道變形、圍巖應(yīng)力及塑性區(qū)演化規(guī)律，并基于數(shù)值研究結(jié)果，提出相應(yīng)的圍巖控制對(duì)策。

(3)采用全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固強(qiáng)力錨桿錨索組合支護(hù)系統(tǒng)并加強(qiáng)巷幫支護(hù)后，能夠很好地解決多次

動(dòng)壓影響下小煤柱巷道支護(hù)難題，礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，此支護(hù)方式顯著提高了圍巖完整性及穩(wěn)定性，支護(hù)效果良好。

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[責(zé)任編輯：鞠文君]

Analysis and Control of Surrounding Rock Deformation of Multiple Dynamic

Pressurized Roadway with Small Coal Pillar along Gob

WU Jian-xing1,2，WU Yong-zheng1,2，WANG Zi-yue1,2，F(xiàn)ANG Shu-lin1,2

(1.Mining & Designing Department，Tiandi Sciences & Technol CO.,Ltd.，Beijing 100013，China；

2.Beijing Mining Research Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China)

Abstract：It’s extremely important and difficult to solve the supporting problem of multiple dynamic pressurized roadway with small coal pillar along gob.2205 return airway in Zhangcun Coal Mine is proven to be included in this class of roadway which has been influenced by multiple dynamic pressure and shown obvious strata behaviors.Base on the characteristics of strata pressure，authors analyzed the factors of rock deformation and failure firstly，and then numerically simulated the effect of 2205 return airway driving pressure，the abutment pressure of 2203 working face，the lateral abutment pressure of 2203 gob and the abutment pressure of 2205 working face，finally proposed the rock control scheme of 2205 return airway.The results showed that the support system of full length pre-stressed anchorage，strength bolt & cable and reinforcement roadside by cable，can solve the technical problem of multiple dynamic pressurized roadway with small coal pillar.

Key words：multiple dynamic pressure，high pre-stress，intensive support，full length pre-stressed anchorage

[作者簡(jiǎn)介]吳建星(1984-)，男，山西臨猗人，助理研究員，長(zhǎng)期從事巷道掘進(jìn)與支護(hù)方面工作。

[基金項(xiàng)目]國(guó)家自然科學(xué)基金委——神華集團(tuán)煤炭聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目(U1261211);天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部科技創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(KCSJ-QNCX-2014-03)

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.06.018

[收稿日期]2015-08-11

[中圖分類號(hào)]TD353

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1006-6225(2015)06-0067-05