深井高應力綜放沿空掘巷圍巖控制技術(shù)①

孫凱

(中煤集團上海大屯能源股份有限公司姚橋煤礦，江蘇沛縣 221611)

深井高應力綜放沿空掘巷圍巖控制技術(shù)①

孫凱②

(中煤集團上海大屯能源股份有限公司姚橋煤礦，江蘇沛縣 221611)

隨著礦井開采向深部延伸，工程地質(zhì)環(huán)境日趨復雜，使得深部煤巷支護愈加困難，為了更好地解決深部綜放沿空掘巷的支護問題，在地應力測試和巖石力學試驗的基礎(chǔ)上，分析了深部綜放沿空掘巷變形機理，并針對其破壞特征，通過數(shù)值計算、理論與工程類比相結(jié)合的研究方法，確定了掘巷留設(shè)窄煤柱的合理寬度、支護方案和參數(shù)，工程應用效果表明，這種綜合研究方法有效地控制了沿空掘巷圍巖的變形問題，為控制深部復雜高應力綜放沿空掘巷變形提供了理論依據(jù)與技術(shù)途徑。

深部高應力;沿空掘巷;數(shù)值模擬;煤柱;圍巖控制技術(shù)

自上世紀九十年代中后期，綜采放頂煤開采作為厚煤層主導采煤技術(shù)在我國煤礦推行以來，綜放沿空掘巷技術(shù)也開始有針對性研究和應用。并成為礦山壓力研究暨采煤工作面巷道支護的重要課題之一。經(jīng)過學者、工程技術(shù)人員的多年研究，沿空掘巷支護理論和實踐兩方面均取得一定的成果和經(jīng)驗。但隨著礦井開采深度的延伸，原巖應力升高，工程地質(zhì)環(huán)境復雜性的增加，以及原巖應力與回采動壓疊加影響等，深部綜放沿空掘巷的圍巖控制在一些特殊工程環(huán)境中愈來愈困難。高應力場的形成與判定及對巷道的作用關(guān)系;窄煤柱的合理留設(shè)及穩(wěn)定性控制;錨桿支護巷道錨固體與圍巖的相互作用關(guān)系等均有待進一步研究。多年來，姚橋礦回采工作面材料道以沿空掘巷留設(shè)煤柱來保護巷道，留設(shè)煤柱多以經(jīng)驗為主。研究地應力場的形成對巷道的影響;原巖應力與綜放采動應力疊加對沿空掘巷的影響;深部沿空掘巷錨網(wǎng)支護條件下合理留設(shè)窄煤柱的研究等，是當前安全生產(chǎn)亟待重視和解決的重大問題。應用地應力實測—錨桿(索)支護設(shè)計—工程監(jiān)控這一成套支護技術(shù)是解決以上問題的一種有效手段［1］。

1 工程基礎(chǔ)研究

1.1 工程概況

姚橋煤礦是大屯礦區(qū)的主產(chǎn)礦井之一，年產(chǎn)430萬t。姚橋井田位于江蘇省沛縣西北，大部在楊屯鄉(xiāng)與山東省微山縣張樓鄉(xiāng)境內(nèi)，北與大屯礦井龍東煤礦接壤，西北與徐州礦務局三河尖煤礦毗鄰，南與大屯礦區(qū)徐莊煤礦毗鄰，東鄰微山三號井。井田地勢平坦，地形略向東北傾斜，西南略高，陸地地面標高+33.54～37.47m，地表廣泛分布古黃河泛濫的砂質(zhì)粘土，平均厚度177m。井田內(nèi)湖區(qū)部分湖底標高+32m。姚橋地質(zhì)構(gòu)造位于豐沛煤田豐沛復向斜北緣，構(gòu)造形態(tài)與含煤受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的控制。受南北向壓扭應力影響，生成北向之背斜，后經(jīng)燕山運動強烈構(gòu)造作用，產(chǎn)生不同方向的斷裂，切割了原來的褶皺而形成當前構(gòu)造形態(tài)。受區(qū)域構(gòu)造的影響，井田內(nèi)斷裂構(gòu)造較發(fā)育。

姚橋煤礦中央采區(qū)(－650m～－850m)位于該礦二水平中部東至東五下山，西至西九下山，采區(qū)對應地面標高+33.37m，二水平主采煤層為山西組7#煤層，煤層厚度最大5.9m，最小4.7m，煤層厚度平均5.6m，煤層傾角平均為11°，煤質(zhì)中硬，裂隙較發(fā)育。采區(qū)工作面沿傾斜兩翼布置，工作面上巷采用沿空掘巷，采煤方法，采用綜采放頂煤技術(shù)。中央采區(qū)地質(zhì)環(huán)境復雜，巷道整體呈現(xiàn)出高應力、大變形、支護難等特點，造成工作面兩側(cè)巷道在回采期間礦壓顯現(xiàn)劇烈、圍巖變形破壞嚴重，其表現(xiàn)為，4m余寬的巷道兩幫收斂近2m，超前支護達100余米之多，工作面切眼上下出口幾近閉合。隨著工作面布置深度的增加，礦壓顯現(xiàn)將愈加劇烈。在高應力區(qū)控制下的回采巷道支護再沿用一般支護技術(shù)已不能滿足安全生產(chǎn)的需要。針對這種情況，應用三維地應力測試技術(shù)探求力源，從宏觀角度分析應力場的形成，研究巷道圍巖破壞與穩(wěn)定性機理的關(guān)系［2～3］。提出深部沿空掘巷科學、有效的支護方式與參數(shù)使巷道滿足安全生產(chǎn)需要十分必要。

實測地應力數(shù)據(jù)與巖石物理力學參數(shù)構(gòu)成下一步模擬計算與巷道設(shè)計的基礎(chǔ)。

1.2 三維地應力實測

本次地應力實測采用中國礦業(yè)學院研制的三維地應力測試系統(tǒng)，系統(tǒng)核心傳感器為自制的以環(huán)氧樹脂為基質(zhì)的空心包體應變計，型號為YH3B－4型環(huán)氧樹脂三軸應變計，該傳感器的突出優(yōu)點為，防潮、防水;彈性好、模量低、變形量大，可將巖石變形放大多倍，提高了測量的靈敏度和精確度。配套研制的專用工具與鉆機結(jié)合使實測十分簡便、快速，且可靠、成功率高。

根據(jù)工程的實際需要，7009工作面沿空掘巷埋深平均約800m，在中央采區(qū)附近確定了兩處現(xiàn)場測量地點，分別在－850水平中央采區(qū)下部車場和－650東七煤倉處。兩處地點分別揭露7#煤老頂砂巖和底板。測量十分成功。實測地應力的大小和方向見表1。

表1 主應力大小與方向

1.3 煤巖物理力學性質(zhì)

在中央采區(qū)多次采樣，分別對7#煤、頂?shù)装鍘r石進行了物理力學性質(zhì)測試。7#煤單軸抗壓強度17～27MPa，屬中硬煤層，但煤體裂隙發(fā)育，塊狀及粉末狀，極易粉碎;7#煤頂板除少量泥巖偽頂外，直接頂為砂質(zhì)泥巖，抗壓強度平均35.5MPa，底板為泥巖或泥質(zhì)砂巖，團狀無層理結(jié)構(gòu)，裂隙發(fā)育，組份中以泥質(zhì)成份為主，易破碎。

針對中央采區(qū)巷道圍巖變形大的情況，對巷道頂、底板巖層進行了X衍射礦物成份定性定量分析，其分析實驗由中國礦業(yè)大學測試分析中心完成，采用日本理學X射線衍射系統(tǒng)D/MAX－－ⅢB型儀器，按原石油工業(yè)部頒布的標準測試。測試分析結(jié)果見表2。

表2 7#煤頂?shù)装錢衍射礦物成份測試表

實驗表明：巷道頂、底板圍巖中礦物的泥質(zhì)成份主要是高嶺石和伊/蒙混層，其中遇水易膨脹的蒙脫石含量很小，但占泥質(zhì)成分33%的伊利石+伊/蒙混層及易潮解，致使巖石損傷。

1.4 巷道圍巖破壞機理與特征分析

中央采區(qū)巷道破壞的主要原因在于該區(qū)域的復雜地質(zhì)工程環(huán)境［4～5］。根據(jù)地應力實測、巖性試驗分析等表明，影響巷道變形破壞主要因素及特征有以下幾點：

1.4.1 地應力與地應力場

－650水平地應力測點地處多條斷層組成的斷層帶，且在一向斜的軸部，從測試結(jié)果分析，最大主應力σl為17.24MPa，與鉛垂方向成106.03°夾角，近似水平，和X軸(東西向)近似正交(夾85.86°角)，而該處向斜的軸線恰好沿東西方向，即最大主應力與向斜軸接近正交，表明該處以構(gòu)造應力為主，中間主應力σ2與東西方向(X軸)有較小的夾角(32.93°)。從－650水平測點處巷道布置情況看，最大主應力的方向與東西向的水平大巷和工作面回采煤巷的夾角較大，已對巷道施加了水平剪力，對巷道的維護十分不利。

－850水平近鉛垂方向的應力σ1= 23.04MPa，與鉛垂方向夾角為9.48°，與上覆巖層的自重應力YH(Y取2.3～2.5)基本相當。兩個水平應力σ2和σ3相差不太大，σ2與東西方向成11.98°夾角，σ3與南北向成172.22°夾角，說明－850區(qū)域?qū)僮灾貞鲂汀?/p>

中央采區(qū)兩個測點實測數(shù)據(jù)表明，－650到－850m應力場的形成從水平構(gòu)造應力隨著深度的變化逐漸演化為自重應力為主(這種變化，有待更多實測及深入研究驗證)，不論是構(gòu)造應力，還是自重應力數(shù)值均很高，可以判明該區(qū)域處于典型高應力控制之下。

1.4.2 巖石物理力學性質(zhì)

中央采區(qū)7#煤層頂?shù)装鍨槟鄮r、砂質(zhì)泥巖，或砂質(zhì)泥巖與細砂巖互層，但巖層存賦不穩(wěn)定，巖性膠結(jié)差，裂隙發(fā)育，巖石泥質(zhì)成份中，主要礦物成份為高嶺石、伊利石及伊蒙混層礦物、碎屑等占95%。伊蒙混層宜受潮解、風化、膨脹;巖石的軟化系數(shù)較大，在3～0.15之間;頂板泥巖RQD指標為50%。RQD很差。圍巖力學性質(zhì)測試表明：泥巖、砂質(zhì)泥巖的巖石工程質(zhì)較差，由于巖體內(nèi)部節(jié)理裂隙發(fā)育，造成巖體整體強度較低。巷道在受到上部回采工作面采動影響后，圍巖的破碎松動范圍擴大，進而使巖層性質(zhì)弱化［5］。

1.4.3 工程因素

由于對采區(qū)的高應力狀況缺乏深刻認識，原支護設(shè)計的整體支護強度不高，針對性不強，致使整體巷道承載結(jié)構(gòu)弱;造成巖體內(nèi)部節(jié)理裂隙擴展，強度降低，造成巷道圍巖出現(xiàn)碎脹變形，產(chǎn)生顯著的塑性流動變形;巷道在受到地應力與回采工作面采動疊加力影響后，頂板下沉所產(chǎn)生的集中應力，相應加劇了頂板下沉和兩幫內(nèi)擠，尤其是窄煤柱側(cè)的內(nèi)移，造成巷道圍巖強度結(jié)構(gòu)破壞，支護困難。

2 綜放沿空掘巷錨桿支護數(shù)值模擬研究

以往支護設(shè)計多采用工程類比方法，本次支護研究根據(jù)工程基礎(chǔ)研究結(jié)果，采用針對非連續(xù)介質(zhì)模型的離散元數(shù)值計算程序UDEC3.1進行數(shù)值模擬計算，計算模型的建立考慮地應力和巖性對支護參數(shù)的影響，進行窄煤柱、不同錨桿長度與間排距之間的組合優(yōu)化，使設(shè)計做到更加合理，更具科學性和可靠性。

2.1 數(shù)值計算的模型

模擬方案以中央采區(qū)7009工作面圍巖存賦情況為基礎(chǔ)，數(shù)值計算模型如圖1所示，模型中將巷道頂煤及窄煤柱、實體煤一側(cè)共計14m范圍內(nèi)的煤體劃分為0.25×0.2m2(寬×高，以下同)的塊體。巷道底板劃分為0.5×0.25m2的塊體。頂煤上方的直接頂厚度為5m，塊體大小均劃分為3×2.5m2，模擬老頂厚度6.5m，斷裂步距15m。整個模型尺寸(寬×高)200×54m2。其中7煤厚5.2m，該煤層為主采煤層，采高2.6m、放煤高度為2.6m，煤層為水平煤層。模型中各巖層巖性、厚度、力學參數(shù)參考實驗室?guī)r石測試參數(shù)。模型中參考地應力實測數(shù)據(jù)，模型上部邊界加載荷8.85MPa，彌補上覆巖層與構(gòu)造應力對大巷產(chǎn)生的載荷。模型中煤巷所受的水平側(cè)壓(東西方向)為14.08MPa，垂直于整個模型的縱向壓力(前后方向)為11.44MPa，垂直應力(豎直方向)為12.35MPa，模型內(nèi)部材料受重力作用。各巖層的巖性、厚度、位置按表2進行劃分，剩余的頂板一律按砂質(zhì)泥巖賦值，一灰?guī)r以下的底板一律按粉砂巖賦值。模型邊界條件采用位移固定邊界，其中兩側(cè)邊界為單向約束，底部邊界為雙向約束，采用的力學參數(shù)見表3。研究留設(shè)窄煤柱寬度分別為5m、4m、3m時，巷道開挖后巷道自身引起的移動變形情況，以及本區(qū)段開采，工作面距巷道不同距離時，對巷道周邊煤巖柱的影響［6～7］。

圖1 沿空掘巷計算模型圖

表3 巖層賦存特征與實測的力學參數(shù)

2.2 計算結(jié)果分析

表4是此次模擬計算結(jié)果，計算成果表明，回采期間當錨桿間排距為600×600mm時，煤柱寬度對頂?shù)装逡平坑绊戄^大，一般規(guī)律為頂?shù)装逡平侩S著窄煤柱寬度的增大而減小，當錨桿長度為1.8m時，煤柱寬度為3.5時，頂板移近量為756mm，當煤柱寬度增大到5.5時，頂板移近量減小到552mm，減少了204mm。當煤柱寬度一定時，錨桿長度的變化對頂?shù)装逡平康挠绊戄^小，如當窄煤柱寬度為4.5m時，長度為1.8m錨桿對應的巷道頂?shù)装逡平繛?44mm，當錨桿長度增長至2.4m時，巷道頂?shù)装逡平繛?46mm，兩者相差僅有2mm。當錨桿間排距為700×700mm、800× 800mm、1000×1000mm時，頂?shù)装逡平烤S著窄煤柱寬度的增大而減小;當煤柱寬度一定時，錨桿長度的變化對頂?shù)装逡平康挠绊懢^小。

表4 巷道頂?shù)装?、兩幫移近量的影響因?/p>

回采期間當錨桿間排距為600×600mm時，當窄煤柱寬度小于4.5m時，煤柱寬度的變化對巷道兩幫移近量影響較小。如當錨桿長度為2.2m，窄煤柱寬度由3.5m增大至4.5m時，相應的兩幫移近量增加了2mm;但窄煤柱寬度超過4.5m時，窄煤柱寬度的變化對兩幫移近量影響較大，如當錨桿長度為2.2m，窄煤柱寬度由4.5m增大至5.5m時，相應的兩幫移近量減小了85mm。由表4可知，當錨桿間排距為700× 700mm、800×800mm、1000×1000mm時，當煤柱寬度一定時，錨桿長度的變化對兩幫移近量的影響均較小。

在回采期間，窄煤柱寬度為5.5m時對應的巷道頂?shù)装?、兩幫移近量最小。當窄煤柱寬度一定時，間排距為600×600mm、800×800mm對巷道變形影響要比700×700mm、1000×1000mm效果好，而間排距600×600mm、800×800mm對應的巷道移動變形量又比較接近，考慮到采用間排距800×800mm時，所用的錨桿數(shù)量相對于間排距600×600mm時要節(jié)省了4根，優(yōu)勢效果比較明顯。

2.3 支護參數(shù)確定

根據(jù)模擬成果，針對深部沿空掘巷高應力，大變形的特點，為了有效控制圍巖變形，抵抗頂板與沿空窄煤柱相互作用的剪應力，有效控制窄煤柱向巷道的內(nèi)移，巷道支護整體采用不對稱支護，具體參數(shù)如圖2。

圖2 7009工作面沿空掘巷(試驗段)錨桿(索)支護形式

確定窄煤柱為5m，支護確定頂板螺紋鋼錨桿為直徑22mm，L=2.2m，樹脂藥卷加長錨固，錨固長度1.4m;排距0.8m，幫錨桿直徑20mm，L= 2.0m，樹脂藥卷加長錨固，錨固長度1m;金屬網(wǎng)：采用網(wǎng)片為1.0m×1.5m鋼筋方格網(wǎng)，網(wǎng)片搭茬100mm，用雙股16#鐵絲聯(lián)網(wǎng);鋼托盤尺寸：100mm ×100mm×10mm沖壓球凹托盤;鋼筋梯子梁用直徑14mm圓鋼焊接。

錨索采用直徑17.82mm鋼絞線制錨索，每排3根錨索，采用不對稱安裝。頂板2根錨索，長度7.2m，巷道中間1根，窄煤柱側(cè)踞中間錨索1.9m安裝1根，傾角為65°，煤柱幫自上向下第三根錨桿處打一根4.5長錨索替代，向下傾角15°，3套錨索預緊力100～120kN，間距2.4m;錨固長度1.5m。

巷道肩部錨索打入煤層頂板已相對穩(wěn)定的三角區(qū)內(nèi)起到懸吊作用［8］，控制頂板懸臂對窄煤柱的擠壓，幫部錨索端部打入底板，控制煤柱位移和巷道底板底臌。

3 工程支護效果

在7009工作面沿空掘巷安設(shè)了5個測站，進行了12個測量斷面的礦壓觀測，礦壓觀測表明：在高應力區(qū)復合頂板條件下，綜放沿空窄煤柱巷道頂板、兩幫采用高強度錨桿加長錨固，并采用錨索不對稱支護，沿空煤巷在回采期間圍巖變形得到了有效控制，巷道圍巖整體穩(wěn)定性好。如圖3所示，煤柱整體仍有內(nèi)移變形(距工作面100m)，但未影響綜采工作站的工作，巷道變形以兩幫變形為主，但兩幫煤體基本保持完整，5m窄煤柱穩(wěn)定，表明煤柱的留設(shè)是合理、可靠的;窄煤柱幫的移近量大于實體煤幫的移近量，底鼓量與頂板下沉量相當;圍巖的變形量為：兩幫均移近量，584mm，頂板平均下沉366mm，能夠滿足綜采工作面的生產(chǎn)需要，錨桿(索)支護系統(tǒng)安全可靠。這種不對稱支護對圍巖形成主動預緊加固結(jié)構(gòu)。

圖37009 材料道支護情況與變形情況

4 結(jié)論

1)姚橋礦中央采區(qū)地應力測量表明：礦區(qū)地應力場隨采深加大應力水平相應增加，采區(qū)上部以構(gòu)造應力為主，水平應力較大，最大應力分量σmax=18.07MPa，與東西向夾94.119°，為北偏西4.12°，最大主應力σ1接近水平方向，最大主應力與目前的生產(chǎn)巷道——即東西向的大巷，回采巷道的夾角較大，不利于巷道的穩(wěn)定與維護，采區(qū)下部逐漸演化為以自重應力。可以判明該采區(qū)是在以構(gòu)造應力為主的典型高應力區(qū)控制之下。地應力確定了工程力源，同時為地應力場的形成、地應力與巷道圍巖穩(wěn)定性的關(guān)系及模擬計算提供準確數(shù)據(jù)。

2)基于地應力實測暨煤巖力學試驗的模擬計算分析與錨桿支護設(shè)計，有針對性的確定了高應力煤巷的支護方案和參數(shù)，不但有效的控制了圍巖變形，而且技術(shù)上可行，安全上可靠，經(jīng)濟上合理，支護技術(shù)取得成功。

3)應用地應力實測—錨桿(索)支護設(shè)計—工程監(jiān)控這一成套支護技術(shù)是解決高應力軟巖巷道變形有效手段。采用不對稱支護方式對煤巷圍巖關(guān)鍵部位進行控制和加固，并形成主動預緊加固結(jié)構(gòu)，對復雜條件下巷道支護具有針對性和指導意義，應用前景廣闊。

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Deep High Stress Surrounding Rock Control Technology in Roadway Driving Along Goaf

SUN Kai

(Longdong Coal mine of Datun Energy Co.Ltd.，Peixian Jiangsu221611)

As the extension of mining and increasing complexity of engineering geological environment，supporting is more and more difficult.In order to better address the deep caving driving gob of supporting issues，on the basis of the stress test and rock mechanics testing，analyzed the deformation mechanism of caving along goaf，and by numerical calculation，the combination of theory and engineering research methods analogy，determined the reasonable width of the narrow pillars，supporting programs and parameters.Engineering results show，the integrated research approach controlled the driving gob-rock deformation effectively，and provide a theoretical basis and technical approach.

deep high stress;driving roadway along goaf;numerical simulation;coal pillar;surrounding rock control technology

TD353

A

1672－7169(2011)04－0014－06

2011－06－27。基金項目：國家自然科學基金項目(50774082)。

孫凱(1972－)，男，安徽蕭縣人，碩士，中煤集團上海大屯能源股份有限公司姚橋煤礦高級工程師，研究方向：礦山壓力。