綜放緩傾工作面下部巷道大變形原因分析及控制技術

張小榮

綜放緩傾工作面下部巷道大變形原因分析及控制技術

張小榮

針對麻家梁煤業(yè)公司14505綜放工作面膠帶順槽大變形導致端頭支架行走困難以及頂?shù)装迤扑榈默F(xiàn)狀，分別從地質、傾斜工作面布置等方面進行分析以及FLAC3D5.0進行模擬研究，制定了加強端頭超前支護管理、補強頂?shù)装逯ёo等治理手段使14505工作面膠帶順槽變形量得到控制并提高了巷道圍巖的穩(wěn)定性。此項綜合支護控制技術為麻家梁類似條件的工作面提供了重要的參考價值。

緩斜工作面；FLAC3D5.0；大變形；地錨

0 引言

煤礦傾斜工作面的順槽巷道圍巖大變形嚴重制約著采煤工作的安全生產和經濟效益[1]。巷道大變形主要表現(xiàn)為頂板呈現(xiàn)下沉、巷道產生底鼓、巷道圍巖維護困難，退錨等失效支護增多[2]。巷道大變形直接影響采煤工作的運輸、行人、通風，是制約礦井安全高效生產的主要原因。因此，探討傾斜工作面順槽巷道失穩(wěn)原因對于保證采煤工作的正常運行有著重要的意義。劉會彬認為埋深較大、軟巖底板、綜采采動影響均為巷道失穩(wěn)因素，巷道變形破壞嚴重區(qū)域往往位于褶曲向斜軸部或褶曲兩側[3]。王寧波等認為巷道頂板斷裂位置一般是發(fā)生在最大彎矩發(fā)生的位置，傾斜煤層中等穩(wěn)定頂板沿傾斜的斷裂失穩(wěn)是一個時間和空間的過程[4]。曾佑富針對傾斜工作面大斷面巷道失穩(wěn)采取了錨桿錨索多介質結構藕合控制技術獲得了良好的效果[5]。本文在前人研究的基礎上，針對同煤集團寧武煤田麻家梁煤礦五采區(qū)傾斜煤層綜采工作面底鼓的實際情況，分析影響該類巷道變形的主要因素，探析巷道變形力學機理并提出相應的巷道大變形控制綜合治理方案。

1 巷道基本情況

麻家梁14505綜放工作面位于五采區(qū)東翼，開采山西組4#煤層，是麻家梁五采區(qū)的首采工作面，地面高程1 259～1 269.7 m，工作面高程529～615 m，工作面走向長度1 642 m，可采1 344 m，傾斜長度為250 m，煤層平均厚度8.5 m，采用綜合機械化放頂煤開采，設計機采高度3.5 m。工作面綜合柱狀圖如圖1所示。工作面總體東西高中間低為一小向斜t構造，局部有小褶皺。工作面傾向坡度較大，頭低尾高，初采時最大坡度達17°，高差達55 m，隨著工作面的向前推進，坡度逐漸變緩，整體平均坡度為6°，高差平均32 m，14505膠帶順槽沿煤層頂板掘進。

圖1 14505工作面綜合柱狀圖

2 巷道變形特征

根據(jù)現(xiàn)場勘測，由于高應力和采動影響導致圍巖情況的惡化，致使14505膠帶順槽的頂板下沉和底鼓明顯，兩幫相對頂?shù)鬃冃瘟枯^小。14505工作面端頭支架頂板破碎嚴重，承受壓力大，支架中、后部立柱活柱行程量小，超前支護范圍內大面積底鼓現(xiàn)象嚴重，端頭最大累積底鼓量達1.5 m，頂板離層下沉如圖2，最大下沉量達1.2 m如圖3。

圖2 膠帶順槽巷道頂板情況

圖3 膠帶順槽巷道底板情況

圍巖變形量大，巷道變形持續(xù)時間長，蠕變效應在圍巖變形中顯現(xiàn)較明顯，影響范圍廣[6]。如圖4在工作面距80 m處連續(xù)標記3個測點，記錄頂?shù)装逡平?。隨著工作面的推進，測點不斷接近工作面煤壁直至測點到達煤壁處并記錄其頂?shù)装逦灰屏?，根?jù)記錄數(shù)據(jù)表明，距工作面煤壁45 m處受采動影響位移值突然升高，距工作面煤壁10 m內頂?shù)装逦灰屏孔畲筮_到2 712 mm，頂?shù)装逡平?～10 m內位移量持續(xù)偏高。

圖4 工作面頂?shù)装逦灰屏颗c工作面煤壁間距離的關系

3 巷道大變形原因分析

3.1 地質因素的影響

14505工作面開采山4#煤層。為減小兩順槽之間的高差，14505膠帶順槽沿頂煤掘進，因此巷道頂板為較軟弱的炭質泥巖和硬脆性的粉砂巖，底板為4 m厚的底煤。由于頂板和底板都是屬于軟弱巖層，當圍巖壓力增大時，頂板和底板首先受到破壞，致使頂板下沉明顯且底板產生底鼓。

褶曲通常被看做是原來近于平直的巖層面變成了褶曲的巖層面而表現(xiàn)出來的一種形式[7]。褶曲的變形面主要包括以下幾種：絕大多數(shù)的層理面，變質巖的劈理、片理，巖漿巖的原生流面等。褶曲的不同部位，受力和危險性也不盡相同，褶曲向斜部分，其應力垂直方向的為壓力，水平方向的為拉力，向斜部分最容易產生冒頂事故和沖擊地壓現(xiàn)象，而主應力主要集中在褶曲向斜內弧的波谷和波峰位置，14505工作面膠帶順槽處于多個褶曲的波峰位置，因此巷道受到褶曲引起的主應力破壞，這個因素也導致巷道圍巖抵抗大變形能力大大削弱。

3.2 自重應力場的影響

地表以下的各點應力隨深度的增加而線性地增加。在重力作用下，煤層頂部各層巖體承壓實狀態(tài)，巖體內垂直應力的大小約等于上覆巖層的重量。通過綜合柱狀圖可得知自表土層到工作面底板巖體密度，從而可以估算出不同埋深處所處的垂直應力數(shù)值。

圖5 巷道埋深及巷道垂直應力關系圖

從圖5可以看出，埋深越大巷道圍巖垂直應力增加越大，整體呈線性分布。上覆巖層中表土層為亞粘土厚度達57 m，57 m～316 m主要由中砂巖、石英巖組成，316 m～548 m主要由泥巖、細砂巖組成，548 m～627 m主要由粉砂巖、高嶺質泥巖組成，工作面所處埋深627 m處垂直應力值16.85 MPa，垂直應力遠大于巷道圍巖的抗拉強度和抗剪強度，因此巷道圍巖自重應力場是巷道失穩(wěn)的一個重要影響因素。

3.3 傾斜布置工作面影響

傾斜工作面沿傾向布置，傾向角度為α，工作面頂板主要受上覆巖層作用而產生大變形。14505膠帶順槽處于傾斜工作面的下部，而煤層走向也存在角度β，形成了膠帶順槽端頭處于整個工作面最低端的狀況。將工作面基本頂看做薄板可以做如圖10所示受力分析，工作面頂板傾向長度為a，工作面古塘和煤壁之間的距離長度為b，圖中上覆巖層作用力為q，呈梯形分布，H為工作面上端頭煤層埋深，γ為巖層平均體積力，工作面端頭作用力q=γH，由于膠帶順槽所處位置H為整個板中最大處，得出結論q在膠帶順槽和工作面煤壁交接處數(shù)值最大，因此工作面處于最低端部分受上覆巖層所造成的垂直應力最大。q可分解成垂直于基本頂?shù)膓1和平行于基本頂?shù)膓2，q1=q（cosβ+ cosα），q2=q（sinα+sinβ）。由公式可知，當角度α、β為定值時，垂直應力q1和水平應力q2均隨q值成線性正比。垂直應力q1對基本頂造成彎曲和剪切破壞，而水平應力q2造成對基本頂?shù)臄D壓，平行于頂板的壓力造成基本頂變形和塑性區(qū)的增大，以上的綜合影響最終導致基本頂?shù)钠茐摹?/p>

圖6 工作面基本頂受力分析

4 數(shù)值模擬分析

4.1 模型建立

利用FLAC3D建立數(shù)值模型用來輔助理論研究膠帶順槽巷道大變形原因，模型長寬高尺寸分別為280 m×50 m×200 m，工作面傾斜長度250 m，模擬煤層厚度8 m，模型上覆巖層的重力按均布載荷施加在模型的上部邊界，限制模型其余5個面。整個模型共劃分230 000個單元，網格大小用attch face命令擬合。

4.1.1 巷道斷面及支護形式的影響

14505工作面膠帶順槽，巷道斷面：4 500 mm× 3 600 mm,巷道采用錨網支護，巷道斷面頂板選用Ф 20 mm×2 500 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，使用矩形布置錨桿，間排距900 mm×900 mm；兩幫選用Φ18 mm× 2 500 mm螺紋鋼錨桿，同樣采用矩形布置，錨桿間排距1 000 mm×1 000 mm，錨桿錨固力均不小于80 kN，頂幫均配合鋼筋網。利用FLAC3D對14505工作面膠帶順槽原支護設計進行數(shù)值模擬。圖6、圖7均為掘進時期的位移云圖和應力云圖，通過對膠帶順槽端頭部分的位移云圖和Zz方向的應力云圖可以看出在兩幫錨桿約束作用下，兩幫形成垂直集中應力，大小為16.8 MPa(如圖7所示)，并向底板軟弱巖層傳遞，導致底板所受擠壓應力增大，因此底板極易產生塑性變形，頂?shù)装鍙亩休^大變形，底鼓量為34 cm，(如圖6所示)，因此可以得出14505膠帶順槽在初期支護上已經比較軟弱，即大斷面巷道初期支護強度不足。

圖7 膠帶順槽位移云圖

圖8 膠帶順槽應力云圖

4.1.2 推進速度的影響

模擬用計算的步數(shù)反映工作面的推進速度，通過應用FLAC3D-hist命令來記錄頂板單元格的應力值，通過繪制曲線如圖8所示，反應工作面的不同推進速度情況下采場應力分布規(guī)律。

圖9 監(jiān)測點應力與工作面煤壁關系圖

從圖8中可以得出，工作面的推進速度越快時應力峰值較低，但影響距煤壁更近，相反推進速度越慢時應力峰值較高，但峰值所處位置距煤壁較遠。由圖8可知加快推進速度以及加強端頭支護有利于控制圍巖應力。

4.1.3 沿頂煤掘進的影響

由于巷道的開挖以及工作面的開采活動，破壞了原始應力場的分布，使得巷道邊緣區(qū)域的支承應力急劇增加，此區(qū)域煤體在集中應力作用下，將巷道兩側煤體由彈性狀態(tài)轉化為塑性狀態(tài)，積聚大量彈性能。巷道底板留有部分煤體，強度較低，巷道兩側的高集中應力和能量通過煤體向底板傳遞，很容易達到底板所能承受的極限應力，加上采動的影響，使得底板結構受到破壞，底煤積聚的能量由巷道釋放出來，表現(xiàn)為巷道大規(guī)模位移產生底鼓。

圖10 沿頂掘進巷道工作面推進100m位移云圖

圖11 沿底掘進巷道工作面推進100m位移云圖

FLAC3D模擬工作面推進100 m后的沿頂掘進的膠帶順槽位移云圖9和沿底掘進的膠帶順槽位移云圖10對比情況可知，14505沿頂掘進和沿底掘進均在頂?shù)装逦灰戚^大，而14505沿頂膠帶順槽底板最大位移達到54 cm，而沿底掘進順槽底板最大位移量僅為23 cm，可知由于膠帶順槽留底煤掘進，對巷道圍巖應力產生了巨大的影響，顯然沿頂掘進的巷道維護更加困難。

5 支護效果

通過觀測結果分析可以確定大變形主要在距離工作面煤壁50 m的范圍內，輔助超前支護、補打底板錨索等巷道圍巖控制技術，使工作面超前50 m范圍內的的頂?shù)装逡平窟_到1.5 m以內的可控范圍，通過少量起底，可以有效的保證綜采放頂煤工作面的安全高效生產。

圖12 膠帶順槽頂?shù)装逡平坑^測圖

6 結論

通過理論與數(shù)值研究，可得如下結論：

①麻家梁14505工作面膠帶順槽巷大變形主要因素包括：復雜的地質因素、巷道斷面大且支護強度低、傾斜工作面高差、推進速度低以及沿頂煤掘進等因素。

②通過理論分析和數(shù)值模擬找到巷道破壞點主要在膠帶順槽的頂?shù)装灞容^明顯，兩幫變形量較小，從而可以針對性的找到支護方法和處置措施。

③通過加強超前支護、補強頂板兩幫支護以及補加，并通過加快推進速度減少采動壓力對膠帶順槽的影響。

④縮小工作面長度、減小兩順槽間高差并在掘進時期加強支護是重要的經驗，為五采區(qū)其他工作面地質情況的工作面提供設計依據(jù)和順槽的支護依據(jù)。

[1]鄧月華.《普通混凝土巷旁充填沿空留巷理論及應用研究》[D].重慶大學.2011.

[2]杜強.《柿花田煤礦"三軟"不穩(wěn)定煤層回采巷道支護技術研究》[D].西安科技大學.2013.

[3]劉會彬.《彬長礦區(qū)軟底巷道變形特征及影響因素分析》[J].煤田地質與勘探.2013.

[4]王寧波.《急傾斜特厚煤層綜放工作面采場運移與巷道圍巖破裂特征》[J].煤炭學報.2013.

[5]曾佑富.《復雜條件下大斷面巷道頂板冒落失穩(wěn)分析》[J].采礦與安全工程學報.2009.

[6]劉佩.《地面鉆孔抽采條件下采空區(qū)瓦斯運移及分布規(guī)律研究》[J].礦業(yè)工程.2009.

[7]姜福興.《采礦覆巖空間結構觀點及應用研究》[J].采礦與安全工程學報.2006.

[8]陶振貴.《綜采面采用新型聚合加固劑過頂板破碎區(qū)的實踐》[J].技術與市場.2014.

Large deformation cause analysis and control technology of lower roadway in slowly inclined fully mechanized working face

ZHANG Xiao-rong

For the present situation of end support trouble moving and the broken top and bottom floor caused by tape crossheading large deformation in the 14505 working face of Majialiang coal company,the paper has carried on the analysis from the geology and inclined working face layout and the simulation study by using FLAC3D5.0,the gover?nance means of reinforcing the end advance support management and reinforcing the top and bottom floor support are for?mulated,it controls the tape crossheading deformation of the 14505 working face and improves the stability of the road?way surrounding rock,the comprehensive supporting control technology provides an important reference value for the sim?ilar condition of the working face in Majialiang Mine.

Slowly inclined working face；FLAC3D5.0；Large deformation;Ground anchor

TD353

B

1000-4866(2016)06-0013-04

10.19413/j.cnki.14-1117.2016.06.004

2016-11-9

張小榮，男，1983年11月生，山西興縣人，碩士研究生，工程師，主要從事礦山壓力與巷道支護等研究。