采動(dòng)影響下沿空巷道圍巖穩(wěn)定性分析與控制技術(shù)研究

朱海峰

（棗莊王晁煤礦有限責(zé)任公司，山東 棗莊 277518）

1 工程概況

王晁煤礦16303工作面，主采16#煤層，工作面位于-400m水平，163采區(qū)，采用綜合機(jī)械化開(kāi)采，全部垮落法管理頂板。16#煤層厚度為0.61～1.72m，均厚1.22m，平均含2層夾矸，夾石層主要成分為炭質(zhì)泥巖。煤層直接頂為泥巖，均厚1.17m；基本頂為石灰?guī)r，均厚4.62m；直接底為砂質(zhì)泥巖，均厚1.53m；老底為細(xì)砂巖，均厚3.21m。

為保證16#煤采區(qū)工作面的正常接替，16305工作面回風(fēng)巷在臨近16303工作面回采前已經(jīng)掘成，巷道主要采用U型鋼棚進(jìn)行支護(hù)，棚距800mm。在16303工作面未進(jìn)行回采工作時(shí)，16305工作面回風(fēng)巷能保證圍巖的穩(wěn)定性，但16305回風(fēng)順槽在受到16303工作面回采動(dòng)壓的影響下巷道變形嚴(yán)重，兩幫移近量達(dá)1.0m，巷道底鼓量達(dá)1.5m，頂板下沉嚴(yán)重，巷道局部區(qū)域收斂率達(dá)80%，大量U型鋼棚支架出現(xiàn)屈服破壞現(xiàn)象?；诖?，需對(duì)16305回風(fēng)順槽變形段進(jìn)行修復(fù)，對(duì)未變形段進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。

2 采動(dòng)影響下圍巖穩(wěn)定性分析

2.1 數(shù)值模擬模型建立

根據(jù)16#煤層頂?shù)装鍘r性及賦存條件，通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立16#煤層頂?shù)装辶W(xué)模型，模型長(zhǎng)240m，高80m，設(shè)計(jì)開(kāi)挖高度為1.5m，模型的左右邊界條件均為固支。根據(jù)16303工作面地質(zhì)資料，得出模擬使用的煤（巖）體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 16#煤層頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)上述巖層參數(shù)建立完初始模型后，對(duì)模型執(zhí)行開(kāi)挖命令，掘出16303工作面及16305工作面回風(fēng)巷并進(jìn)行支護(hù)命令，然后對(duì)16303工作面執(zhí)行回采開(kāi)挖命令。通過(guò)數(shù)值模擬具體研究16303工作面回采后，在采空區(qū)側(cè)向支承壓力的作用下，16305回風(fēng)順槽的穩(wěn)定性。

2.2 圍巖塑性區(qū)分析

通過(guò)分析巷道圍巖塑性區(qū)域的演化規(guī)律能夠掌握圍巖在穩(wěn)定過(guò)程中巖體所處的狀態(tài)[1-3]。當(dāng)對(duì)16303工作面執(zhí)行回采命令后，通過(guò)對(duì)模擬軟件計(jì)算1000、3000、5000步數(shù)及計(jì)算平衡時(shí)圍巖塑性區(qū)域的分布進(jìn)行出圖分析，不同步數(shù)圍巖塑性區(qū)的分布如圖1所示。

當(dāng)計(jì)算到1000步時(shí)，巷道0～5m范圍內(nèi)的圍巖體處于剪脹變形狀態(tài)，底板淺部圍巖左側(cè)出現(xiàn)小區(qū)域的拉應(yīng)變區(qū)域，而底板右側(cè)并未出現(xiàn)，這便說(shuō)明巷道圍巖的剪切破斷會(huì)先出現(xiàn)在左幫，兩幫剪切破斷呈現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)的特性，剪切破壞區(qū)域主要出現(xiàn)在巷道的左下方和右上方；隨著巷道圍巖塑性區(qū)的出現(xiàn)，圍巖的應(yīng)力集中狀態(tài)進(jìn)一步的減小，圍巖的集中應(yīng)力會(huì)逐漸向深部轉(zhuǎn)移；根據(jù)3000步和5000步的圍巖塑性區(qū)域的分布可知，隨著計(jì)算時(shí)步的增加，巷道圍巖所受到的應(yīng)力會(huì)逐漸向深部轉(zhuǎn)移，塑性區(qū)域會(huì)逐漸擴(kuò)大，特別是巷道左下部位，其剪切破壞區(qū)域發(fā)育較為迅速，直至區(qū)段煤柱的塑性區(qū)域相互貫通。

隨著巷道圍巖塑性區(qū)域的不斷發(fā)育，當(dāng)計(jì)算平衡時(shí)，巷道的底板及兩幫剪切破壞區(qū)域較大，并且巷道左幫的塑性區(qū)域范圍明顯大于右?guī)?，底板淺部圍巖還在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)了拉應(yīng)力破壞。塑性區(qū)存在著一定的承載能力，而松動(dòng)破壞區(qū)無(wú)承載能力，故針對(duì)圍巖的穩(wěn)定性而言，能夠允許塑性區(qū)域的出現(xiàn)，但應(yīng)防止塑性區(qū)域的的發(fā)育，盡量避免出現(xiàn)松動(dòng)破壞區(qū)。特別是針對(duì)受到動(dòng)壓影響的巷道應(yīng)及時(shí)的采取措施對(duì)巷道圍巖進(jìn)行強(qiáng)化控制，控制圍巖變形，保證巷道圍巖的穩(wěn)定。

圖1 巷道圍巖塑性區(qū)的分布規(guī)律

3 沿空巷道圍巖控制技術(shù)

3.1 圍巖控制技術(shù)方案

通過(guò)具體分析16#煤采區(qū)的地質(zhì)條件、數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)情況，并結(jié)合其他礦井類(lèi)似條件下原有支護(hù)變形失穩(wěn)特征[4-5]，能夠得出16305運(yùn)輸順槽出現(xiàn)失穩(wěn)破壞的主要原因?yàn)椋海?）巷道所處區(qū)域的應(yīng)力水平較高；（2）U型棚搭接長(zhǎng)度較短，卡攬螺母預(yù)緊力不足；（3）圍巖護(hù)表強(qiáng)度低，弱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差；（4）巷道底板未采取支護(hù)措施。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)特征可知，在16303工作面回采動(dòng)壓的影響下，16305回風(fēng)順槽出現(xiàn)較大的不均勻變形，基于此情況提出采用非均勻支護(hù)的手段對(duì)巷道圍巖進(jìn)行控制，具體支護(hù)參數(shù)如下：

（1）修復(fù)、架棚

對(duì)巷道進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)后使用三節(jié)U29型鋼支架進(jìn)行支護(hù)，支架的搭接長(zhǎng)度為500mm，棚距600mm，搭接處使用3副雙槽夾板限位卡纜，卡纜螺母的預(yù)緊力需大于300N·m，巷道中間部位的卡纜安裝在靠近下部的位置，在進(jìn)行棚腿安裝時(shí)，必須確保其架設(shè)到實(shí)體煤體或巖石上。

在U型棚架設(shè)好后即可開(kāi)始安裝拉桿的操作，當(dāng)支架未安裝拉桿時(shí)，支架與巷道圍巖之間的接觸僅靠棚腿與底板接觸，不能保證U型棚的穩(wěn)定，安裝拉桿后能夠改善支架與圍巖間的相互作用，提升支架整體的承載能力。

（2）掛金屬網(wǎng)背板

為提升U型支架對(duì)巷道的護(hù)表能力，通過(guò)在支架壁后掛設(shè)鋼筋網(wǎng)片以提高對(duì)巷道圍巖表面的保護(hù)能力，鋼筋網(wǎng)片尺寸為長(zhǎng)×寬=0.6×0.5m，主筋直徑為Φ10mm，副筋直徑為Φ6mm，內(nèi)部網(wǎng)格為100×100mm。

（3）增設(shè)錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

針對(duì)巷道圍巖變形量大且不均勻的特性，在巷道頂板及左幫共布置5根Φ21.6×6000mm型錨索，間排距為1100×1200mm；巷道右?guī)筒贾?根Φ21.6×4500mm型錨索，間排距為1100×1200mm；其中幫腳錨索與底板之間的垂直距離為0.3m，錨索的預(yù)緊力需大于8t，錨索托梁由廢舊U型鋼加工制成。具體支護(hù)斷面圖如圖2所示。

圖2 支護(hù)斷面圖

3.2 支護(hù)效果分析

16305回風(fēng)順槽的補(bǔ)強(qiáng)加固從距離集中運(yùn)輸巷320m開(kāi)始，同時(shí)在加固段設(shè)置1#～4#測(cè)站，回采期間采用“雙十字”法進(jìn)行測(cè)站處巷道表面位移監(jiān)測(cè)。根據(jù)16303工作面推進(jìn)130m的范圍內(nèi)的監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，4個(gè)測(cè)站的表面位移量基本相同，下面通過(guò)3#測(cè)站表面位移曲線圖進(jìn)行具體分析，曲線圖如圖3所示。

16305回風(fēng)順槽在超前工作面40m至工作面推過(guò)100m段，巷道受到采動(dòng)壓力影響較為明顯，圍巖的變形存在著一定的規(guī)律性。圍巖變形的主要特征包括兩幫移近量強(qiáng)烈，底鼓占到頂?shù)装逡平康?0%，對(duì)于加固后的巷道圍巖兩幫移近量能夠控制在120mm左右，底板鼓起量控制在160mm左右，頂?shù)装逡平磕芸刂圃?00mm左右。這說(shuō)明采用的加固手段能有效地控制巷道圍巖變形，保證巷道圍巖穩(wěn)定。

圖3 3#測(cè)站圍巖表面位移量

4 結(jié) 論

（1）通過(guò)數(shù)值模擬軟件對(duì)16305回風(fēng)順槽圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得出在鄰近工作面回采動(dòng)壓的影響下，巷道左側(cè)的塑性區(qū)發(fā)育范圍大于右側(cè)，且底板淺部巖層存在著一定的拉應(yīng)力破壞區(qū)域。

（2）根據(jù)16305回風(fēng)順槽的數(shù)值模擬結(jié)果，并結(jié)合地質(zhì)條件和現(xiàn)場(chǎng)情況，提出修復(fù)、架棚、掛金屬網(wǎng)背板、增設(shè)錨索的非均勻支護(hù)方案。

（3）根據(jù)礦壓觀測(cè)結(jié)果表明：支護(hù)方案實(shí)施后，兩幫移近量控制在150mm，底板鼓起量控制在160mm，頂?shù)装逡平靠刂圃?00mm，大大減小了底板鼓起量，有效地控制了巷道圍巖的不均勻變形，保障了16305回風(fēng)順槽在鄰近工作面回采動(dòng)壓影響下巷道圍巖的穩(wěn)定。