綜放沿空留巷覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律及監(jiān)測(cè)研究

屈永超

0 引言

沿空留巷是一種經(jīng)濟(jì)、高效、安全的巷道布置方式，對(duì)于緩解采煤工作面接替緊張，減少掘進(jìn)次數(shù)非常有利［1－3］。國內(nèi)學(xué)者對(duì)沿空留巷技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，在礦壓理論、支護(hù)技術(shù)和巷旁支護(hù)材料等方面取得了很多成果［4－7］。朱川曲根據(jù)綜放沿空留巷圍巖變形大且圍巖力學(xué)參數(shù)中有許多隨機(jī)變量的特征，通過建立綜放沿空留巷支護(hù)結(jié)構(gòu)可靠性分析模型，認(rèn)為合理選擇錨桿類型、加大錨桿支護(hù)密度、改善錨固體及充填材料力學(xué)性能等措施，可以提高綜放沿空留巷支護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠性［8］。華心祝等提出了一種錨索主動(dòng)巷旁加強(qiáng)支護(hù)，分析了巷旁錨索加強(qiáng)支護(hù)的作用機(jī)理，為3 m以上較大采高工作面沿空留巷技術(shù)提供了依據(jù)［9－10］。康紅普等為應(yīng)對(duì)劇烈礦壓，采用高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿與錨索作為巷內(nèi)基本支護(hù)，配合使用單體支柱配鉸接頂梁和膏體充填巷旁支護(hù)，能夠有效控制深部沿空留巷圍巖的強(qiáng)烈變形，保持留巷穩(wěn)定［11］。雖然近年來我國煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，錨桿材質(zhì)強(qiáng)度、支護(hù)強(qiáng)度以及錨桿支護(hù)的預(yù)緊力水平均得到較大提高，配合使用新的膏體充填材料使巷道維護(hù)效果不斷改善，但是沿空留巷是一類典型的極難維護(hù)的動(dòng)壓巷道，在原巖應(yīng)力、采動(dòng)應(yīng)力疊加的作用下，圍巖的破碎區(qū)、塑性區(qū)范圍大，錨固體的力學(xué)狀態(tài)發(fā)生劇烈變化，圍巖與錨固體一起向巷道內(nèi)整體移動(dòng)，巷道產(chǎn)生大變形和劇烈變形，該類巷道的支護(hù)難題仍沒有得到有效解決。文中以國投新登鄭州煤業(yè)有限公司的31061工作面為研究對(duì)象，開展綜放采場沿空留巷技術(shù)的研究。最終巷道支護(hù)采用高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿與錨索作為基本支護(hù)，在工作面后方巷道配合使用單體支柱配鉸接頂梁，在動(dòng)壓后，工作面后方70 m處進(jìn)行維修的方案。達(dá)到了降低巷道支護(hù)成本，改善巷道圍巖受力狀況，成功實(shí)現(xiàn)沿空留巷及促進(jìn)礦井高產(chǎn)高效安全的目的。

1 數(shù)值模擬

1.1 模型建立

為了較為全面地反映沿空留巷巷道上覆巖層的活動(dòng)規(guī)律與變形的力學(xué)過程，以31061工作面為原型，利用CDEM建立數(shù)值計(jì)算模型如圖1所示。模型高160 m，模擬的工作面的走向長度為230 m，取平均煤層傾角為12°，開切眼位于離左邊邊界38．25 m處，開切眼的長度為6．467 m．模型左側(cè)限制水平移動(dòng)，底面限制垂直移動(dòng)，上部施加垂直荷載模擬上覆巖層的重量。為了更加真實(shí)模擬采場上覆巖層垮落狀態(tài)，將液壓支架也加入到模型中，支架高度等于煤層高度，每次開挖的長度為0．6 m，開挖的總走向長度為120，即開挖步數(shù)為200步，由于每開挖一次都要重新計(jì)算平衡并保存文件。模型共有節(jié)點(diǎn)數(shù)10 699，塊體數(shù)8 176，含5個(gè)三角形單元，四邊形單元數(shù)為9 171．巖石力學(xué)參數(shù)見表1．

圖1 數(shù)值模型Fig．1 Numerical simulation model

1.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

在模擬開挖的過程中，當(dāng)開挖進(jìn)行了9．6 m時(shí)，直接頂發(fā)生初次垮落，垮落范圍在頂板以上1.45 m以內(nèi)，此時(shí)的主關(guān)鍵層下端最大位移量為55 mm左右，基本保持完好，僅有少量的裂隙。圖2(b)是在開挖了20 m后，直接頂發(fā)生二次破斷，此時(shí)頂板發(fā)生第一次來壓，支架伸縮量有小幅度增加，為16 mm左右，工作阻力為23 MPa．在工作面推進(jìn)了21．6 m時(shí)，主關(guān)鍵層第二次破斷，工作面發(fā)生第二次周期來壓，來壓步距為11．6 m，此時(shí)支架上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的工作阻力有明顯的增大，達(dá)到了26 MPa，液壓支架的下縮量有12 mm左右，說明此次周期來壓在液壓支架上的顯現(xiàn)較為明顯。圖2(c)是開挖了29．4 m時(shí)老頂?shù)谝淮伟l(fā)生破斷，破斷位置在煤層沿x坐標(biāo)走向64 m的上方，并與上方巖層產(chǎn)生較大的離層，離層最大寬度為1．37 m左右，由于此時(shí)垮落的位置距離工作面僅有20 m的距離，工作面明顯受到老頂破斷的影響，表現(xiàn)在液壓支架上就是下縮量有明顯的增大，介于15到16 mm之間。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)表Tab．1 Coal rock mechanical parameters

圖3 ，圖4是工作面推進(jìn)了120 m后的Y方向應(yīng)力云圖、位移云圖，可以看出在工作面的上覆巖層形成了垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。在超前工作面的19到25 m的范圍形成了局部的應(yīng)力集中，應(yīng)力大小為21 MPa．在部分后方采空區(qū)上方20 m的老頂附近也有部分范圍的應(yīng)力集中現(xiàn)象產(chǎn)生，應(yīng)力大小為23 MPa左右。通過分析位移云圖可以看出，工作面覆巖存在明顯的三帶:垮落帶，裂隙帶和彎曲下沉帶。其中采空區(qū)的最大位移量在4.46 m．

2 現(xiàn)場工業(yè)性實(shí)驗(yàn)及監(jiān)測(cè)

圖3 應(yīng)力云圖Fig．3 Overburden stress nephogram

31061工作面位于31采區(qū)北翼，工作面沿走向布置，沿傾斜推進(jìn)。該工作面風(fēng)巷主要用于:工作面的回風(fēng)、物料運(yùn)輸、行人等。該巷道采用工字鋼支護(hù)，斷面規(guī)格2．2 m×3．0 m．該工作面運(yùn)輸巷主要用于煤炭運(yùn)輸和工作面的進(jìn)風(fēng)，該巷道采用工字鋼支護(hù)，斷面規(guī)格2．2 m×3．0 m．該工作面采用ZYF2600/15/24中間架和ZFG2800/16/26放頂煤過渡支架支護(hù)，采面共要設(shè) 101架，其中ZFG2800/16/26放頂煤過渡支架6架，ZYF2600/15/24支撐掩護(hù)式支架95架，采空區(qū)采用全部垮落法管理頂板。

圖4 覆巖位移云圖Fig．4 Overburden displacement nephogram

為了掌握31061綜放面沿空留巷礦壓及巷道變形規(guī)律，需要對(duì)工作面前超支承壓力、超前巷道變形、采空區(qū)后方側(cè)向支承壓力、巷道壓力、巷道變形、二次維修后巷道變形等進(jìn)行詳細(xì)觀測(cè)，檢測(cè)內(nèi)容及手段見表2．煤體內(nèi)部的壓力變化使用鉆孔應(yīng)力計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、巷道壓力使用單體支柱壓力計(jì)監(jiān)測(cè)加強(qiáng)支護(hù)支柱壓力變化、巷道變形使用激光測(cè)距儀進(jìn)行測(cè)量，每次測(cè)量對(duì)工作面位置、巷道變形情況、測(cè)點(diǎn)使用情況等進(jìn)行記錄。

表2 沿空留巷綜合監(jiān)測(cè)內(nèi)容Tab．2 Comprehensive monitoring content of the roadway along the road

根據(jù)31061工作面情況及前述礦壓研究結(jié)果，經(jīng)現(xiàn)場實(shí)地考察共設(shè)計(jì)13個(gè)巷道變形、煤體應(yīng)力、支柱變形等應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，具體布置如圖5所示和見表3．

選用GMC20鉆孔應(yīng)力傳感器，其特點(diǎn)能夠放置鉆孔內(nèi)部(鉆孔規(guī)格42 mm)，測(cè)量煤礦井下煤層或巖層內(nèi)部應(yīng)力的變化，例如工作面前方煤層超前支撐應(yīng)力，預(yù)留煤柱的支撐應(yīng)力等，是測(cè)量因采動(dòng)影響煤層或巖層內(nèi)部應(yīng)力場的變化，是研究采場動(dòng)壓作用規(guī)律的重要手段之一。采空區(qū)后部留巷巷道的采用單體支護(hù)加強(qiáng)支護(hù)，通過監(jiān)測(cè)單體支柱壓力變化探尋巷道壓力。采用YHY60(C)礦用本安型壓力檢測(cè)儀與本安型手持采集器配套使用。巷道變形主要監(jiān)測(cè)巷道兩幫和頂?shù)装逡平?，采用十字交叉法進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量設(shè)備采用激光測(cè)距儀，將激光測(cè)距儀安裝在自行研制的微調(diào)支架上使用，以進(jìn)行精確測(cè)量，必要時(shí)輔以卷尺進(jìn)行校正。

表3 監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)列表Tab．3 List of monitoring points

圖5 沿空留巷測(cè)點(diǎn)布置Fig．5 Design of measuring points along the roadway

如圖6所示，使用將激光測(cè)距儀及微調(diào)支架在巷道一側(cè)支架即A點(diǎn)，測(cè)量巷道寬度AB，然后在D點(diǎn)向上測(cè)量巷道高度CD。同時(shí)，記錄單體柱插底高度，巷道及支架變形情況。

測(cè)量過程，從2014年6月21日到11月22日，共計(jì)155 d，期間工作面推進(jìn)距離112 m．礦上7月20日～8月10日和9月28日到10月18日分別放假20 d，工作面在此期間停產(chǎn)。

圖6 表面位移測(cè)點(diǎn)示意圖Fig．6 Schematic diagram of surface displacement measurement points

圖7 分別為采空區(qū)后方留巷內(nèi)測(cè)點(diǎn)7，測(cè)點(diǎn)8，測(cè)點(diǎn)9，測(cè)點(diǎn)10數(shù)據(jù)曲線，橫坐標(biāo)為測(cè)點(diǎn)距工作面距離，主次縱坐標(biāo)分別為巷道位移和支柱壓力。

圖7 各個(gè)測(cè)點(diǎn)位移和壓力Fig．7 Displacement and pressure of each measuring point

巷道變形量以頂?shù)装逑鄬?duì)位移量為主，各測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的巷道頂?shù)装逦灰屏繛?．5～0．8 m，兩幫位移量為0．2～0．4 m．采空區(qū)覆巖垮落對(duì)巷道形成垂直方向上的壓力引起頂板下沉，同時(shí)巷道底板無支護(hù)，高應(yīng)力作用下巷道底臌，兩者共同引起巷道變形。各測(cè)點(diǎn)單體支柱上的數(shù)據(jù)變化較好地反映了覆巖壓力的變化過程。單位支柱壓力變化范圍在10～16 MPa之間，遠(yuǎn)沒有達(dá)到安全閥值。主要是因?yàn)橄锏赖装遢^軟弱，支柱容易插底?，F(xiàn)場觀察也發(fā)現(xiàn)，雖然每個(gè)支柱都?jí)|有柱鞋，但所有支柱均有較大的插底量。

利用工字鋼對(duì)棚+單體支柱加強(qiáng)支護(hù)的方式能夠保證31061機(jī)巷留巷安全的度過動(dòng)壓影響，從過度到動(dòng)壓影響穩(wěn)定階段。工作面后方留巷根據(jù)礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)可以分為3個(gè)階段:第一階段是壓力緩慢升高階段，在工作面后方30～40 m范圍內(nèi)，此階段巷道變形較快，支架壓力升高速度較慢;第二階段是壓力快速增加階段，在工作面后方40～70 m范圍內(nèi)，此階段支架承受壓力快速升高，巷道變形繼續(xù)增加，工字鋼支架產(chǎn)生明顯破壞，單體支柱插底。第三階段是壓力穩(wěn)定階段，在工作面后方70 m以后，基本頂斷裂以后，巷道壓力不在快速上升。留巷進(jìn)入第三階段后，巷道已基本度過動(dòng)壓影響階段，并且支架經(jīng)受較大變形后承載能力降低，因此，采空區(qū)后70m左右是進(jìn)行二次維修的合理位置。留巷二次維修后，因維修時(shí)對(duì)巷道頂煤及側(cè)幫進(jìn)行擴(kuò)大，巷道圍巖應(yīng)力重新小副調(diào)整，同時(shí)基本頂以上的高位上覆巖層垮落仍會(huì)對(duì)巷道產(chǎn)生一定影響。巷道二次維修完成以后，仍有少量變形(底臌量在0．4 m以內(nèi)，兩幫變形在0．3 m左右)，變形主要出現(xiàn)在維修后30m范圍內(nèi)，30 m以外巷道不在出現(xiàn)變形。由此也可知，在保證臨時(shí)支護(hù)能夠有效的承載條件下，二次維修位置應(yīng)盡量靠后，距工作面90～100 m距離是二次維修最理想的位置。

3 結(jié)論

1)數(shù)值模擬分析結(jié)果表明，工作面分別在開挖到9．6，20，30 m 時(shí)，直接頂發(fā)生初次垮落，直接頂?shù)谝淮沃芷趤韷?，老頂斷裂，工作面第一次發(fā)生老頂?shù)膩韷?

2)模擬的應(yīng)力分布表明，來壓時(shí)應(yīng)力劇烈，局部的應(yīng)力集中于超前工作面的20 m左右，工作面覆巖存在明顯的三帶，后方應(yīng)力集中于老頂;

3)通過現(xiàn)場觀測(cè)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，支柱達(dá)不到最大支撐能力使切頂不及時(shí)，對(duì)巷道變形影響較大，建議有條件礦井可以采用高強(qiáng)度加強(qiáng)支護(hù)支架;

4)工作面后方的留巷根據(jù)礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)可以劃分為:壓力緩慢升高階段、壓力快速增加階段和壓力穩(wěn)定階段，總共3個(gè)階段。當(dāng)留巷進(jìn)入第三階段后，巷道已基本度過動(dòng)壓影響階段，并且支架經(jīng)受動(dòng)壓后承載能力降低，并分析出采空區(qū)后70 m左右是進(jìn)行二次維修的合理位置。

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