超長孤島工作面沿空掘巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及原因分析

郭之標，楊 森

(安徽理工大學 能源與安全學院，安徽 淮南 232001)

由于孤島工作面的頂板壓力大，巷道變形劇烈，對孤島工作面巷道支護造成很大的難度。因此，研究孤島工作面條件下沿空掘巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律對于減少頂板事故，提高資源回收，降低消耗，增加礦井經(jīng)濟效益，具有很大意義。目前，有許多學者針對孤島工作面沿空掘巷煤柱寬度設計、位置、圍巖控制技術等[1-7]方面進行了大量的研究，但對超長孤島工作面條件下礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及原因分析較少，尤其是超長工作面兩側(cè)采空區(qū)下的礦壓研究不足。本文以兩淮礦區(qū)劉莊礦120502孤島工作面機巷為工程背景，對沿空掘巷期間礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行分析，并利用FLAC3D對變形原因進行探究，最后給出了加強支護方案，結(jié)果可為孤島工作面沿空掘巷提供良好的經(jīng)驗和借鑒。

1 巷道概況

1.1 地質(zhì)條件

120502工作面所采5號煤層傾角較小，可近似為水平開采。煤層厚2.22～5.10m，并且處于多煤層組成的煤層群之中，頂?shù)装鍘r性如圖1所示。

圖1 頂?shù)装鍘r層綜合柱狀

120502工作面東臨XL2陷落柱(工作面切眼緊貼XL2陷落柱保護煤柱外推80m線)，西接5煤集中上山，南為120503工作面采空區(qū)(與工作面之間留設煤柱32m)，北靠120601工作面采空區(qū)(與工作面之間留設煤柱22m)，上方為6-1煤及8煤采空區(qū)(與工作面平均法距8.5m)，為典型的孤島工作面，地應力集中。120502孤島工作面設計為走向長壁式開采，機巷可采走向長為998.8m(平距)，底板開采標高為-627.3～-660.9m，工作面切眼寬為289.6m(平距)巷道斷面為三心拱，凈斷面面積為22.7m2。目前，120502孤島工作面機巷已掘進891.4m(不包括外段修巷60m)。

1.2 錨網(wǎng)索初始支護布置

采用螺紋鋼左旋金屬強力錨桿(φ22mm×2500mm)端頭錨固配合雙層金屬網(wǎng)(金屬網(wǎng)+菱形網(wǎng))(φ6mm×100mm×60mm)、H型普通鋼帶以及鋼絞線錨索(φ21.8mm×9200mm)。其中，錨桿間排距800mm×800mm，錨索間距1300mm，排距1200mm，每排7根，錨網(wǎng)索支護布置如圖2所示。

圖2 錨網(wǎng)索支護布置

2 現(xiàn)場實測與分析

2.1 頂板離層

在120502孤島工作面沿空掘巷期間，通過安設26個頂板離層儀對頂板離層情況進行監(jiān)測，得到前期頂板離層變化較小，在距巷道起點92m處，頂板離層開始有較大的變化，尤其在距巷道起點[683～932m]范圍內(nèi)，頂板離層變化更為顯著。從總體變化趨勢來看，淺部離層量與深部離層量隨距巷道起點距離的增加呈鋸齒狀變化，且淺部離層量普遍高于深部離層量，其中，淺部離層在距巷道起點785m處，達到最大，為59mm。在距巷道起點932m處，淺部離層量為0，深部離層變化更為明顯，離層量達到117mm。分析認為，產(chǎn)生鋸齒狀變化的原因可能是由于工作面推進過后，頂板周期破斷產(chǎn)生的頂板巖塊仍處于鉸接狀態(tài)，而沿空掘巷破壞了這種狀態(tài)，使原周期破斷的巖塊發(fā)生翻轉(zhuǎn)，導致掘進過程中頂板離層發(fā)生周期性變化。該孤島工作面沿空掘巷頂板離層變化情況如圖3所示。

圖3 頂板離層

2.2 巷道圍巖表面位移

通過在120502孤島工作面機巷布置24個測站，對巷道圍巖變形情況進行監(jiān)測，得到在巷道掘進前期采空區(qū)側(cè)巷道圍巖變形較小，隨后變形隨距巷道起點距離的增加而增大，如圖4所示?？傮w來看，120503工作面采空區(qū)側(cè)變形最大，平均值為180.41mm，最大值為780mm，依次為實體煤側(cè)(平均值為138.23mm，最大值為445mm)、底鼓(平均值為124.29mm，最大值為545mm)、頂板下沉(平均值為64.03mm，最大值為430mm)。并且120503工作面采空區(qū)側(cè)變形、頂板下沉及底鼓大致在距巷道起點600～800m之間變化較為劇烈。說明120503工作面采空區(qū)回采時間較久遠，圍巖壓力基本穩(wěn)定，且設計留設煤柱較寬，巷道掘進時來壓不明顯，數(shù)日之后因受掘進期間人工擾動影響，導致應力重新分布，巷道壓力逐漸增大[8]。因此，在對上述孤島工作面機巷進行掘進時，對該段巷道圍巖加強觀測及支護。

圖4 巷道圍巖表面位移

2.3 錨桿(索)受力

通過在120502孤島工作面機巷使用MCS-400和MCS-450礦用本安型錨桿(索)測力計對實體煤側(cè)、該機巷左邊工作面采空區(qū)側(cè)、頂部錨桿及頂部錨索受力進行監(jiān)測，得到巷道頂部錨索受力最大，平均值為180.25kN，最大值為315kN，依次為頂部錨桿(平均值為110.5kN，最大值為179kN)、工作面采空區(qū)側(cè)錨桿(平均值為67kN，最大值為83kN)、實體煤側(cè)錨桿(平均值為34.5kN，最大值為60kN)。分析認為，由于在距巷道起點距離較小時，上述孤島工作面靠近左邊工作面采空區(qū)，因此，受左邊工作面采空區(qū)和頂板內(nèi)6-1煤影響，使頂部錨索和采空區(qū)側(cè)錨桿受力較大。在距離巷道起點較遠處，由于距離右側(cè)工作面采空區(qū)停采線很近，頂部錨桿(索)受力明顯增大，說明：受右側(cè)工作面采空區(qū)影響，人工擾動后頂部應力重新分布。因此，需加強對巷道的礦壓觀測，必要時采取加固措施。錨桿(索)受力情況如圖5所示。

圖5 錨桿(索)受力監(jiān)測情況

3 基于FLAC3D的巷道變形原因分析

3.1 建立模型

利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對120502孤島工作面機巷應力分布特征進行分析。

模型共有380730個單元體，399807個節(jié)點。設置模型頂部為自由面，其余邊界使用位移約束。模擬方案為：開采右側(cè)工作面；運算平衡之后開采左邊工作面；運算平衡之后分步開挖巷道。

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1 機巷兩幫垂直應力分布特征

圖6是120601工作面開采之后的垂直應力云圖，從圖6可以看出，開采造成的擾動已經(jīng)影響到巷道區(qū)域，且在中間煤柱處形成了應力集中[9]。說明回采120601工作面對于該機巷會產(chǎn)生影響，應注意應力疊加對巷道支護困難的問題。

圖6 機巷左邊工作面回采之后垂直應力分布

通過圖7所示的上述機巷兩幫垂直應力曲線可以看出，采空區(qū)殘余支承壓力和掘巷側(cè)向應力疊加之后的影響范圍小于50m，可以推斷，120503工作面距離該機巷還隔有約300m的工作面和32m煤柱，必然處在采動擾動范圍之外，因此，孤島工作面中的采空區(qū)只對相鄰巷道產(chǎn)生影響。對于上述工作面機巷變形來說，主要受120601工作面回采的影響。

圖7 采空區(qū)側(cè)與工作面?zhèn)葢Ψ植记€

采空區(qū)側(cè)煤幫為22m煤柱，從上面的分析可知，在左邊工作面回采之后，其垂直應力影響范圍已延伸至該機巷，在沿空掘巷之后，垂直應力達到最大[10]。分析認為，由于垂直應力會在煤柱內(nèi)形成彈性核，使垂直應力達到32.5MPa，工作面?zhèn)却怪睉_到26.3MPa，相比增加了6.2MPa。高垂直應力說明淺部煤幫在應力轉(zhuǎn)移過程中發(fā)生破壞，破碎區(qū)大，幫部變形大，顯然，受到左邊工作面回采的影響，采空區(qū)側(cè)承受更大的載荷，該側(cè)幫部變形大于工作面?zhèn)葞筒?，這就能夠很好地解釋現(xiàn)場左幫變形大的原因。

3.2.2 塑性區(qū)分布規(guī)律

通過圖8所示的塑性區(qū)來看，頂板主要受到剪切破壞，這是由于該機巷采用三心拱斷面，頂部拱結(jié)構(gòu)能夠?qū)⑸细泊怪睉D(zhuǎn)化為徑向應力與切向應力，巖石抗壓不抗拉，因此頂板結(jié)構(gòu)變形較小，比較穩(wěn)定。從底板破壞原因來看，拉破壞是主要原因，頂板拱結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒋怪睉νㄟ^煤幫傳遞給底板，在垂直應力作用下底板發(fā)生撓曲，由材料力學可知，底板巖梁上部受拉，下部受壓，容易發(fā)生破壞，產(chǎn)生大變形。綜合以上因素，上述機巷頂板較為穩(wěn)定，而底板變形量較大。

圖8 塑性區(qū)分布規(guī)律

4 巷道加強支護技術

(1)幫部位移控制 通過對幫部位移較大處施工一排長4200mm錨索進行加固，同時在巷道掘進期間，在靠近120601工作面采空區(qū)側(cè)施工一排長4200mm的錨索加強支護，通過觀測分析，對幫部進行加固后，幫部位移量及位移速度明顯減小。

(2)加固頂板 由圖3及圖4可知，在上述工作面沿空掘巷至巷道起點距離640～880m之間，頂板離層與頂板下沉較為劇烈。因此，需對該段頂板采用錨網(wǎng)索聯(lián)合主動支護方式進行加固[11]，具體為在距巷道起點640～800m范圍內(nèi)，對巷道頂板進行打錨索吊梁。在800～880m階段巷道進行噴漿、注漿加固，巷道頂板加強支護后，通過觀測，壓力顯現(xiàn)情況得到有效控制，尤其是注漿段巷道，巷道沒有明顯壓力顯現(xiàn)情況。

(3)加固底板 由圖4可知，在距巷道起點600～700m范圍，底板變形較大，底鼓量均超過300mm，最大達到545mm。因此，對于該范圍內(nèi)底板的加固顯得尤為重要，由于上述工作面直接底巖性為深灰色泥巖，屬于軟巖，可通過注漿配合底板錨桿(索)進行支護。通過觀測可知，這種支護有效地降低了底板的變形破壞。

5 結(jié) 論

通過對120502孤島工作面沿空掘巷期間巷道圍巖變形采用FLAC3D模擬軟件進行模擬以及現(xiàn)場觀測，發(fā)現(xiàn)巷道圍巖前期變形較小，之后在掘進過程中由于受采空區(qū)影響，巷道圍巖變形增大。具體表現(xiàn)為：

(1)由于垂直應力在煤柱內(nèi)形成彈性核，使垂直應力達到32.5MPa，工作面?zhèn)却怪睉_到26.3MPa，相比增加了6.2MPa，機巷采空側(cè)受120502工作面采空影響大，采空區(qū)變形達到780mm。

(2)從巷道頂?shù)装遄冃蝸砜?，由于頂板為拱結(jié)構(gòu)，將垂直應力通過煤幫傳遞至底板對底板產(chǎn)生的擾動較大，使底鼓量大于頂板下沉量。

(3)從上述頂板離層監(jiān)測情況來看，主要以淺部離層為主，最大達到59mm。為降低孤島工作面沿空掘巷所造成的巷道圍巖變形，對該超長孤島工作面機巷進行加強支護，結(jié)果表明錨網(wǎng)索與噴漿、注漿支護手段最有效。