重復采動下頂板含水巷道頂?shù)装遄冃螜C理及控制

趙善坤

(1.煤炭科學技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京 100013；3.中國礦業(yè)大學(北京) 力學與建筑工程學院，北京 100083)

重復采動下頂板含水巷道頂?shù)装遄冃螜C理及控制

趙善坤1,2,3

(1.煤炭科學技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京 100013；3.中國礦業(yè)大學(北京) 力學與建筑工程學院，北京 100083)

[摘要]針對內(nèi)蒙古巴彥高勒煤礦重復采動下影響頂板含水層回風巷道頂?shù)装遄冃屋^大的問題，采用現(xiàn)場實測及理論分析方法，通過分析巷道圍巖松動圈的成因及影響因素，對巷道頂?shù)装遄冃屋^大的機理及控制措施進行了研究。結(jié)果表明：初次采動影響時，支承壓力主要作用于護巷煤柱，巷道頂板松動圈范圍較小，護巷煤柱應力在巷道底板釋放導致局部的底鼓現(xiàn)象，但巷道頂?shù)装逭w變形不明顯；重復采動影響時，巷道頂板承受支承壓力較大、兩幫應力在底板釋放，頂?shù)装逅蓜尤Ψ秶鷶U大，頂板松動圈發(fā)育至含水層后，頂板水弱化頂?shù)装迕簬r體強度，導致頂?shù)装逅蓜尤M一步增大，巷道頂?shù)装遄冃屋^大；提出了相應的巷道變形控制措施，在現(xiàn)場應用效果顯著。

[關(guān)鍵詞]重復采動；頂板含水層；巷道變形；松動圈

目前，組合拱理論、松動圈理論、圍巖強度強化理論等在巷道支護中得到了普遍使用[1-2]，但無論哪種理論，支護目標均是對淺部松動圍巖予以支護以保證深部彈塑性圍巖保持穩(wěn)定[3]。而巷道變形量大小是評價巷道支護效果的最直接依據(jù)，一些學者認為工作面回采產(chǎn)生的支承壓力改變了圍巖受力，從而增大了巷道頂?shù)装遄冃瘟縖4]，一些學者通過研究發(fā)現(xiàn)水將圍巖軟化進而增大了巷道頂?shù)装遄冃瘟縖5-6]。對于重復采動影響下頂板具有含水層的回采巷道，受采動、水等多個因素影響時巷道頂?shù)装遄冃翁卣骷捌溆绊懺虻?，以往學者并未進行深入的研究。

基于此，以內(nèi)蒙古巴彥高勒煤礦311102工作面為工程背景展開研究，通過現(xiàn)場實測及理論分析方法，對頂板具有含水層的回風巷道受重復采動影響巷道頂?shù)装遄冃屋^大的機理進行研究，并提出相應的控制技術(shù)，以保證工作面的安全高效開采。

1工程概況

巴彥高勒煤礦3-1煤11盤區(qū)回采巷道采用雙巷掘進，巷道間留設30m寬的護巷煤柱。回風巷道用于本工作面回風、運料等，維護該巷道的穩(wěn)定對工作面的安全高效生產(chǎn)至關(guān)重要。

盤區(qū)內(nèi)工作面煤層賦存較穩(wěn)定，煤層厚度為4.8～6.21m，煤層傾角0～3°，直接頂為1～6m厚的砂質(zhì)泥巖，基本頂為10～37m厚的中粒砂巖，屬于含水層，工作面回采前將頂板水提前抽放。

回風巷道沿3-1煤層底板掘進，設計寬×高=5.4m×4.2m，矩形斷面。巷道全部布置在煤層中，巷道上方為0.6～2m的頂煤。巷道支護情況如圖1所示。頂板采用錨網(wǎng)索支護，頂板布置4根錨桿、2根錨索，兩幫各布置4根錨桿，頂板及兩幫鋪設鋼筋網(wǎng)，錨桿規(guī)格為φ20mm×2200mm的螺紋鋼，設計錨桿間距為1000mm，排距為1000mm，錨索規(guī)格為φ21.6mm×7300mm的鋼絞線，設計錨索間距為1600mm，排距為3000mm，鋼筋網(wǎng)采用φ6.5mm圓鋼，規(guī)格為100mm×100mm。

圖1　巷道斷面及支護

2巷道頂?shù)装遄冃渭绊敯逅蓜尤μ卣?/p>

2.1巷道變形情況

為了分析采動影響時的巷道變形特征，在311102工作面回采期間分別對311102工作面輔運巷道(即311103工作面回風巷道)及回風巷道變形情況進行觀測，發(fā)現(xiàn)巷道圍巖變形情況呈現(xiàn)以下特點：

(1)受初次采動影響，回風巷道頂板及兩幫變形不明顯，局部有底鼓，最大底鼓量超過0.5m。

(2)受重復采動影響，回風巷道頂?shù)装逡平枯^大，工作面前方100m范圍內(nèi)頂板下沉量較大，且巷道底鼓量較大，頂煤較破碎；回風巷道兩幫移近量相對較小，工作面前方100m位置兩幫移近量不大，工作面前方50m位置凈寬仍達到4.5m以上。

(3)局部回風巷道頂板有淋水現(xiàn)象，底板有積水。

2.2頂板松動圈分布

由于巷道變形是圍巖松動圈發(fā)育直接作用的結(jié)果，為了分析受采動影響時回風巷道松動圈分布特征以確定頂板變形較大的原因，在311102工作面輔運巷道及回風巷道頂板分別布置多個鉆孔，通過鉆孔窺視儀對各測孔進行跟蹤探測。

通過觀測發(fā)現(xiàn)，初次采動影響后，輔運巷道頂板松動圈在0～3m范圍內(nèi)，且裂隙較稀疏，頂煤有少量裂隙發(fā)育。重復采動影響時，311102工作面回風巷道超前工作面100m位置頂板松動圈在0～4m范圍，且裂隙密集程度增大，超前工作面55m位置頂板松動圈范圍為8m，且裂隙密集、圍巖破碎，頂煤裂隙較多，部分窺視結(jié)果見圖2。

圖2　頂板松動圈觀測情況

窺視過程中觀測到頂板水從頂板較深處裂隙噴出，并將裂隙周邊巖體泥化，如圖3所示是頂板8.2m深裂隙噴水情況及圍巖泥化情況。

2.3巷道頂?shù)装遄冃卧虺醪椒治?/p>

通過以上現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，礦井現(xiàn)有的錨網(wǎng)索支護并不能有效地控制巷道頂?shù)装遄冃危瑥南锏绹鷰r應力環(huán)境及圍巖巖性綜合分析[7]，認為工作面回采巷道頂?shù)装遄冃螄乐氐闹饕蛴幸韵聨讉€方面：

(1)巷道頂板留有0.6～2m的頂煤，在采動影響下較破碎。

圖3　頂板圍巖泥化現(xiàn)象

(2)受采動影響時，圍巖受力增大。

(3)頂板松動圈高度較大，而頂板錨索長度偏短，不能將下部破碎圍巖懸吊于上覆堅硬穩(wěn)定巖層上。

(4)巷道頂板富含水，雖然已提前抽放，但局部區(qū)域頂板仍有少量水，水的存在改變了頂?shù)装迕簬r體力學性質(zhì)。

由于松動圈的存在是引起巷道變形的前提[3]，因此要研究回風巷道變形機理，需分析圍巖松動圈的形成原因及圍巖松動圈的影響因素。

3巷道變形機理

3.1圍巖松動圈成因

結(jié)合以往學者研究結(jié)果[8]可知，三向壓縮狀態(tài)下圍壓越大，巖石的強度越大，且?guī)r石的單軸抗壓強度明顯弱于三軸壓縮強度。

巷道開挖后，一個方向應力解除，巷道淺部圍巖三向壓縮狀態(tài)改變，由于圍壓減小導致圍巖強度降低，在原地應力作用下，巷道淺部圍巖將發(fā)生塑性破壞，直至破碎狀態(tài)。

結(jié)合彈性力學基礎理論[9]，對于如圖4所示的厚壁矩形均質(zhì)薄板，距孔中心r處徑向壓力、切向壓力為

(2)

式中，a為薄板內(nèi)部圓孔半徑；q1，q2為薄板四周所受均布載荷；r及θ表示薄板上各個方位點的坐標，r為各個方位點距圓孔中心的距離，θ為各個方位點與x軸正方向的夾角，順時針轉(zhuǎn)動時為正。

圖4　巷道圍巖受力情況

對于圓形巷道，若采取一定的支護方式后最后保持巷道的穩(wěn)定，巷道周邊不同深度圍巖破壞情況不同，此時可以將巷道周邊圍巖假設為非均質(zhì)材料，因此巷道圍巖應力隨r的變化趨勢與公式(1)、(2)相類似，隨著r的增大，巷道圍巖徑向壓應力及切向壓應力均逐步增大。圍壓的增大強化了圍巖強度，因而巷道深部圍巖在發(fā)生塑性破壞之后能夠保持穩(wěn)定，而不向破碎狀態(tài)轉(zhuǎn)變，更深部圍巖圍壓進一步增大，處于彈性狀態(tài)。破碎圍巖即為圍巖松動圈，因而只要能保證破碎圍巖、塑性破壞圍巖穩(wěn)定，巷道即可保持穩(wěn)定。

結(jié)合以上分析可知，圍巖松動圈范圍是圍巖受力與圍巖強度共同決定的，根據(jù)以往學者研究結(jié)果，圍巖松動圈的大小L由圍巖應力P與圍巖強度R間的相對關(guān)系決定，L=f(P，R)。

巷道采用錨網(wǎng)索支護即是為了促進淺部破碎圍巖的穩(wěn)定，進而增大深部圍巖圍壓，強化深部圍巖強度，從而保證巷道的穩(wěn)定。

與圓形巷道相比，矩形巷道四個角存在較大的應力集中，但是從整體上來看，以上針對圓形巷道的分析對矩形巷道而言顯然也成立。

3.2圍巖松動圈影響因素

3.2.1巷道斷面大小

由公式(1)、(2)可知，多個孔徑不同的均質(zhì)彈性體，具有某一相同徑向壓應力、切向壓應力的位置與孔中心的距離r隨孔徑a的增大而增大。對于非均質(zhì)體的巷道圍巖也將呈現(xiàn)相同的變化趨勢，因此深部處于彈塑性狀態(tài)的圍巖達到某一徑向壓應力、切向壓應力所需的半徑r隨孔徑a的增大而增大。由此可知，圓形巷道孔徑越大，圍巖彈塑性區(qū)域分布范圍越深，松動圈范圍越大。

顯然以上分析對矩形巷道也成立，因此巷道斷面越大，圍壓松動圈越發(fā)育。

3.2.2采動應力

隨著工作面推進，在采動影響下巷道圍巖應力增大，由于圍巖應力與圍巖強度對應關(guān)系發(fā)生變化，內(nèi)部塑性區(qū)圍巖繼續(xù)向破碎巖石轉(zhuǎn)變，塑性區(qū)向圍巖深部發(fā)展，因而松動圈范圍進一步擴大。

3.2.3水的影響

水對圍巖松動圈的影響主要表現(xiàn)為降低圍巖強度。若巷道圍巖含黏性礦物較多，圍巖遇水時將崩解、膨脹，此外圍巖遇水后易軟化，這些均將弱化圍巖強度，圍巖應力與自身強度對應關(guān)系改變后，圍巖松動圈進一步發(fā)育。

3.3圍巖松動圈對巷道支護的要求

巷道變形是圍巖松動圈范圍與巷道支護能力共同作用的結(jié)果，結(jié)合以上分析結(jié)果可知，要使巷道圍巖保持較高的穩(wěn)定性，必須對淺部松動圍巖施加足夠的支護，保證淺部破碎圍巖的穩(wěn)定，進而保證深部彈塑性圍巖的穩(wěn)定，從而抑制松動圈的繼續(xù)發(fā)展，減小巷道變形量[10-15]。

3.4變形機理分析

結(jié)合以上分析可知，隨著回風巷道斷面增大，巷道圍巖松動圈增大，但采動影響前巷道圍巖松動圈范圍仍相對較小，對于頂板圍巖較完整的巷道，現(xiàn)有的錨網(wǎng)索聯(lián)合支護完全能滿足支護要求，因此巷道保持較高的穩(wěn)定性。

當回采巷道采用雙巷掘進且護巷煤柱較寬時，臨近工作面回采產(chǎn)生的采動應力主要由護巷煤柱承擔，巷道頂板圍巖應力增幅不大，因而初次采動影響時頂板松動圈變化較小，現(xiàn)有的錨網(wǎng)索支護可以滿足頂板支護要求，巷道變形較小。重復采動影響時回風巷道受臨近采空區(qū)側(cè)向支承壓力及本工作面超前支承壓力的雙重影響，巷道頂板圍巖應力增幅較大，巷道頂板圍巖松動圈擴大。若頂板具有含水層且松動圈導通含水層，遺留的頂板水通過頂板裂隙流出并將降低圍巖的強度，進一步增大松動圈范圍，因而相比初次采動影響時，重復采動影響下的回風巷道頂板松動圈大幅度擴大。若此時錨桿、錨索錨固端位于圍巖破碎區(qū)域內(nèi)，則錨桿、錨索將與圍巖同時運動，導致巷道頂板變形較大，嚴重時可能發(fā)生冒頂事故。

由于護巷煤柱較寬時，臨近工作面采動應力主要由護巷煤柱承擔，部分煤柱應力將通過巷道底板釋放，因而底板松動圈有所擴大，巷道底板局部有底鼓現(xiàn)象。重復采動影響時，臨近采空區(qū)側(cè)向支承壓力及本工作面采動應力的影響，積聚于巷道兩幫的更多的應力將通過底板釋放，因而重復采動影響時底板松動圈進一步發(fā)育，巷道呈現(xiàn)更大的底鼓量。此外，頂板水通過底板松動圈進入深部塑性區(qū)域，降低圍巖強度，導致底板松動圈范圍將進一步加大，導致底鼓更加嚴重。

3.5現(xiàn)場實例

巴彥高勒煤礦311102工作面回風巷道頂板留有0.6～2m的頂煤，直接頂屬于1～6 m的砂質(zhì)泥巖，由于巷道斷面較大，因此采動影響前，巷道頂板松動圈范圍較大，介于0～1.5m之間，但現(xiàn)有的錨網(wǎng)索支護能夠達到較好的支護效果，因此巷道較穩(wěn)定。由于護巷煤柱較寬為30m，初次采動影響時，支承壓力大部分由護巷煤柱承擔，巷道頂板圍巖應力增幅較小，因而巷道頂板松動圈僅有小量擴大。由于護巷煤柱應力通過底板釋放，導致巷道局部底鼓量較大，在一些區(qū)域巷道最大底鼓量超過0.5m。重復采動影響時巷道頂板受力增幅較大，因而頂板松動圈范圍大幅度增大，松動圈導通上覆含水層，遺留的頂板水降低圍巖強度，進一步增大了松動圈范圍，導致巷道松動圈增至0～8m范圍，目前回風巷道采用7.3m錨索不能有效地保證松動范圍的穩(wěn)定，因而巷道頂板變形嚴重。重復采動影響時巷道兩幫應力大部分通過巷道底板釋放，因此巷道底板松動圈擴大，頂板水流入底板并降低了底板圍巖強度，進一步增大了底板松動圈范圍，因而巷道底板變形嚴重。

通過以上分析可知，初次采動影響時回風巷道頂?shù)装逅蓜尤U大幅度較小，因而頂?shù)装遄冃屋^小。但是重復采動影響時，受采動應力較大及頂板水弱化圍巖強度等因素的共同作用，促進了回風巷道頂?shù)装逅蓜尤Φ陌l(fā)育，最終導致巷道頂?shù)装遄冃屋^大，因此急需提出相應的措施以減小巷道頂?shù)装遄冃瘟俊?/p>

4巷道變形控制措施及現(xiàn)場應用

4.1控制措施

由上述分析可知，初次采動影響時回風巷道頂?shù)装逅蓜尤Ψ秶龇幻黠@，若巷道底鼓比較嚴重，僅需對底鼓段進行處理。重復采動影響時，采動及水等原因?qū)е孪锏理數(shù)装遄冃屋^大，因此從以下幾個方面提出了頂?shù)装遄冃慰刂拼胧?/p>

(1)確定合理的頂板錨索長度應根據(jù)松動圈觀測結(jié)果確定合理的頂板錨索長度，對目前正在服務的回采巷道進行及時補強支護，并對正在掘進的回風巷道支護方式進行優(yōu)化。

(2)底板支護采用錨索支護底板，抑制底板松動圈范圍的擴大，從而減小底鼓量。

(3)避免水對圍巖強度的弱化探放水應徹底，并及時將回風巷道底板積水排出，避免頂板遺留水對頂?shù)装鍑鷰r強度的弱化作用。

(4)及時處理底鼓及時將巷道底鼓部分進行處理，以增大巷道通風斷面積。

4.2現(xiàn)場應用

初次采動影響時，巴彥高勒煤礦311102工作面輔運巷僅局部底鼓較大，可采取及時處理底板措施。311102工作面回風巷道受重復采動影響時頂?shù)装遄冃螄乐?，且相對于頂板變形，底鼓量較小，通過及時處理底鼓地段即可保證工作面回采，從安全高效生產(chǎn)及控制成本的角度考慮，回風巷道頂板控制是礦井面臨的重點問題，巷道頂板松動范圍較大，若不采取有效措施容易造成冒頂事故，因而最終確定在回風巷道采用及時清理底鼓巖石、頂板補強支護的措施。結(jié)合松動圈觀測結(jié)果及理論分析，最終確定采用φ21.6mm×9300mm錨索對頂板進行補強支護，錨索間距為1600mm，排距為3000mm，及時抽放底板積水。

采動應力監(jiān)測顯示工作面前方140m位置回風巷道已進入重復采動影響范圍，因此對補強支護前后重復采動影響范圍內(nèi)巷道頂?shù)装遄冃芜M行觀測，觀測結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出，補強支護前工作面每推進10m頂?shù)装逡平?0～105mm，補強支護后工作面每推進10m頂?shù)装逡平?0～60mm，補強支護后巷道頂?shù)装逡平俣让黠@減小，回風巷道頂?shù)装遄冃蔚玫搅擞行Э刂啤?/p>

圖5　補強支護前后巷道頂?shù)装遄冃?/p>

6結(jié)論

(1)現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)，巴彥高勒煤礦311102工作面回風巷道頂?shù)装遄冃屋^大；初次采動影響時工作面輔運巷道頂板松動圈為0～3m范圍，底鼓較明顯，重復采動影響回風巷道頂板松動圈范圍為0～8m，底鼓量增大；且頂板裂隙中有水噴出，底板有積水；基于以上現(xiàn)場觀測情況對回風巷道頂?shù)装遄冃屋^大的原因作了初步分析。

(2)基于彈性力學基本理論分析了圍巖松動圈成因，并分析了巷道斷面大小、采動及水對圍巖松動圈發(fā)育的影響，從而確定了重復采動頂板含水巷道頂?shù)装遄冃屋^大的機理，并結(jié)合巴彥高勒煤礦條件進行了驗證。

(3)針對頂?shù)装遄冃螜C理，提出了相應的控制措施，在巴彥高勒煤礦應用效果顯著。

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[責任編輯：王興庫]

Roof and Floor Deformation Principle and Controlling of Roadway with Aquifer Roof under Repeated Mining

ZHAO Shan-kun1，2，3

(1.Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute，Beijing 100013 China；2.State Key Laboratory of Coal Resource High Effective Mining & Clean Utilization(China Coal Research Institute)，Beijing 100013，China；3.Mechanics & Civil Engineering School，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China)

Abstract：In order to solving the problems of roof and floor large deformation of air return way with roof aquifer under repeated mining of Bayangaole coal mine in Inner Mongolia，the reasons and influence elements of roadway loose circle formed were studied by filed testing and theory analysis，then principle and controlling method of large deformation in roadway floor were studied.The results showed that the abutment pressure acted on the chain pillar under first mining influence，the loose circle scope in roadway roof was small，regional floor heave appeared that induced by chain pillar stress released from roadway floor，but integral deformation of floor was small，under repeated mining，abutment pressure was large in roof，two sides stress released from the floor，loose circle scope in roof and floor increased obviously，coal strength decreased obviously as roof water when the loose circle developed into aquifer strata，then the loose circle scope in roof and floor increased future，the controlling method of anti roadway deformation was put forward，and filed testing results was obviously.

Key words：repeat mining；aquifer roof；roadway deformation；loose circle

[收稿日期]2015-11-05[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.03.017

[基金項目]國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973)資助項目(2010CB226806);國家自然科學基金資助項目(51174112，51404140,51304117，51574150);煤炭資源開采與環(huán)境保護國家重點實驗室資助項目(2010DQ305023)

[作者簡介]趙善坤(1982-)，男，遼寧葫蘆島人，博士研究生，助理研究員，主要從事煤礦安全及沖擊地壓防治相關(guān)技術(shù)與研究工作。

[中圖分類號]TD322.1

[文獻標識碼]A

[文章編號]1006-6225(2016)03-0063-05

[引用格式]趙善坤.重復采動下頂板含水巷道頂?shù)装遄冃螜C理及控制[J].煤礦開采，2016，21(3)：63-67.

頂板具有含水層的回風巷道受重復采動影響巷道頂?shù)装遄冃屋^大，對回采巷道頂板的穩(wěn)定性、通風、運料、行人等產(chǎn)生了一定影響。