顧北礦沿空掘巷臨空活動(dòng)段圍巖變形控制技術(shù)研究

豐安祥，史文豹

(1.淮南礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 潘一煤礦，安徽 淮南 232001； 2.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001)

沿空掘巷可有效提高煤炭資源的回采率，但沿采空區(qū)掘進(jìn)的巷道一般暴露在上一工作面?zhèn)认蛑С袎毫τ绊懛秶鷥?nèi)，圍巖處于塑性破碎帶中，圍巖的穩(wěn)定性受上區(qū)段采空區(qū)殘余應(yīng)力影響較大[1，2]；同時(shí)巷道開挖后周邊應(yīng)力向巷道兩側(cè)轉(zhuǎn)移，在煤柱側(cè)更加明顯，在這種復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境下，巷道圍巖支護(hù)穩(wěn)定性難以保證[3-5]。據(jù)此，柏建彪[2，6]等研究了沿空掘巷圍巖大結(jié)構(gòu)、小結(jié)構(gòu)的相互作用機(jī)理及變形破壞特征，并認(rèn)為上一個(gè)工作面開采后，在煤體邊緣0～7m范圍內(nèi)有一個(gè)應(yīng)力減小區(qū)，適宜在該范圍內(nèi)沿采空區(qū)穩(wěn)定掘進(jìn)。華心祝[7]等通過(guò)分析覆巖運(yùn)移規(guī)律和幫部支承壓力分布規(guī)律，認(rèn)為采空區(qū)附近煤層在一定范圍內(nèi)存在應(yīng)力折減帶。張農(nóng)[8]研究認(rèn)為，采動(dòng)工作面對(duì)沿空掘巷煤柱的影響包括頂板破斷、剪切、滑移及離層等動(dòng)力現(xiàn)象，并提出了預(yù)應(yīng)力組合支護(hù)技術(shù)。在沿空掘巷穩(wěn)定性的數(shù)值模擬研究方面，相關(guān)研究[9-11]還表明，不同煤層巖性、開采深度、老頂強(qiáng)度、動(dòng)載沖擊以及支護(hù)方式等因素均會(huì)顯著影響沿空掘巷留設(shè)煤柱的穩(wěn)定性。綜上，沿空掘巷圍巖穩(wěn)定性受臨空活動(dòng)段的影響特征仍需進(jìn)一步的研究。本文以顧北礦南一采區(qū)1322(1)工作面為工程背景，通過(guò)UDEC數(shù)值模擬臨空活動(dòng)段沿空掘巷應(yīng)力分布特征，對(duì)比不同支護(hù)工況對(duì)垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力的影響，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)。

1 工程概況

顧北礦1322(1)工作面為孤島工作面，并且其兩巷在上區(qū)段工作面覆巖層還未穩(wěn)定時(shí)就要進(jìn)行掘進(jìn)，屬于典型臨空活動(dòng)段沿空掘巷。南一采區(qū)1322(1)面煤層傾角3°～7°，平均5°，11-2煤層厚度2.73～4.32m，平均厚度3.8m，屬穩(wěn)定型煤層。直接頂為泥巖，直接頂厚度1.65～4.15m，平均2.85m，老頂為中細(xì)砂巖，老頂厚度為4.8～7.4m，平均5.62m，老頂之上有2.5～8.2m不等的泥巖或砂質(zhì)泥巖，其上為3.5～15m粉細(xì)砂巖。1322(1)工作面兩巷頂板巖性柱狀圖如圖1所示。

圖1 1322(1)工作面兩巷頂板巖性柱狀圖

2 臨空活動(dòng)區(qū)沿空掘巷支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 普通錨索網(wǎng)支護(hù)存在的問(wèn)題

目前我國(guó)煤礦沿空掘巷普遍采用錨索網(wǎng)支護(hù)技術(shù)，如圖2所示，包括固定于巷道靠工作面?zhèn)葞偷亩喔鶐湾^桿(索)a，固定于巷道頂板的多根頂錨桿(索)b，固定于小煤柱的幫部加固錨桿(索)c?，F(xiàn)有沿空掘巷小煤柱，包括高地應(yīng)力沿空掘巷小煤柱加固基本上僅考慮靠沿空掘巷這一側(cè)幫，而靠上區(qū)段采空區(qū)側(cè)幫基本上沒(méi)有進(jìn)行預(yù)加固，僅靠上區(qū)段巷幫原施工的錨桿支護(hù)，而沿空掘巷后小煤柱的松動(dòng)區(qū)范圍大，錨桿基本上錨固在松動(dòng)區(qū)范圍內(nèi)，在采動(dòng)支承壓力作用下極易引起小煤柱靠上區(qū)段側(cè)幫原施工的錨桿失效、煤柱片幫，從而導(dǎo)致小煤柱的有效寬度減小，煤柱的穩(wěn)定性降低，破碎圍巖給支護(hù)帶來(lái)了很大困難，直接威脅巷道安全。

圖2 沿空掘巷常規(guī)錨索網(wǎng)支護(hù)示意圖

2.2 臨空活動(dòng)區(qū)沿空掘巷支護(hù)方案

為了分析不同支護(hù)工況對(duì)未穩(wěn)定段沿空掘巷圍巖穩(wěn)定性的影響，并改進(jìn)支護(hù)技術(shù)，因此設(shè)計(jì)了三種支護(hù)方案，以進(jìn)行不同支護(hù)工況下沿空巷道的應(yīng)力分布特征模擬。工況一為常規(guī)沿空巷道支護(hù)方案；工況二為錨索支護(hù)巷道兩幫；工況三為錨網(wǎng)索加固兩幫，具體工況分別為：

1)工況一：巷道頂板采用4.9m長(zhǎng)的M5鋼帶，5600mm×900mm的10#菱形金屬網(wǎng)和7根Φ22mm×2500mm錨桿支護(hù)，頂板錨桿間排距770mm×800mm；頂板錨索采用槽鋼組合方式布置，頂板錨索采用“3-3”交錯(cuò)布置，槽鋼梁為長(zhǎng)2.6m的14#槽鋼，錨索間排距1200mm×800mm，巷中錨索規(guī)格Φ21.8mm×7200mm，兩側(cè)錨索規(guī)格Φ21.8mm×6200mm；巷幫采用3.2m長(zhǎng)的M5鋼帶，3600mm×900mm的10#菱形金屬網(wǎng)和5根Φ22mm×2500mm錨桿支護(hù)，為了提高煤柱的穩(wěn)定性，煤柱側(cè)幫布置一排水平錨索，幫部錨索規(guī)格為Φ21.8mm×6300mm。

2)工況二：巷道煤柱幫布置兩根錨索，實(shí)體幫布置1根錨索，其它參數(shù)同工況一。

3)工況三：在上區(qū)段工作面回采前即對(duì)煤柱靠采空區(qū)側(cè)提前增補(bǔ)一排錨索加固，幫部加固錨索規(guī)格為：Φ21.8mm×6200mm；煤柱靠沿空掘巷側(cè)增補(bǔ)二排水平布置錨索，沿空掘巷靠實(shí)體幫增補(bǔ)一排水平布置常規(guī)錨索，幫部常規(guī)錨索規(guī)格為Φ21.8mm×6200mm，幫部注漿錨索規(guī)格為Φ22mm×6300mm，其它參數(shù)同工況一。

3 臨空活動(dòng)區(qū)沿空掘巷圍巖應(yīng)力模擬研究

3.1 數(shù)值模型的建立

為了分析臨空活動(dòng)區(qū)沿空掘巷圍巖應(yīng)力分布特征及支護(hù)改進(jìn)方案設(shè)計(jì)的合理性，數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)以1322(1)軌道巷為背景，使用UDEC4.0模擬模型寬為700m，高250m。模型上方施加8.75MPa補(bǔ)償載荷模擬上覆巖垂直應(yīng)力，側(cè)壓系數(shù)λ=1，巖體強(qiáng)度采用M-C準(zhǔn)則。顧北礦1322(1)孤島面回風(fēng)巷沿空掘巷煤柱寬度數(shù)值計(jì)算模型各巖層的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 煤巖層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

3.2 模擬結(jié)果分析

本次數(shù)值計(jì)算模擬矩形巷道斷面為：5.3m×3.4m，根據(jù)其支護(hù)方式的不同，分別模擬上述三種錨網(wǎng)索支護(hù)方案。三種支護(hù)方式下沿空巷道的垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力云圖如圖3所示。由圖3可以得出，由于煤柱在水平方向兩側(cè)采空，水平應(yīng)力卸壓，三種工況下水平應(yīng)力在煤柱側(cè)整體偏低，最大值約為8MPa；垂直應(yīng)力在煤柱中部偏巷道側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域。

圖3 不同支護(hù)工況下巷道圍巖應(yīng)力云圖

在巷道實(shí)體煤側(cè)，由于受采空區(qū)側(cè)向支承壓力的影響，三種工況巷道實(shí)體幫均出現(xiàn)了垂直應(yīng)力集中。其中，工況一由于煤柱側(cè)破碎，難以給巷道提供穩(wěn)定的支撐，應(yīng)力峰值距巷道邊緣較近，距巷道邊緣距離約5m位置，峰值為30.1MPa；工況二應(yīng)力峰值出現(xiàn)在距巷道邊緣約6.5m位置，峰值為29.2MPa；工況三應(yīng)力峰值出現(xiàn)在距巷道邊緣約8m位置，峰值為28.6MPa，說(shuō)明隨著煤柱承載能力的增加，實(shí)體煤側(cè)幫不僅應(yīng)力峰值逐漸降低，而且峰值位置也逐漸向巷幫深部轉(zhuǎn)移。

對(duì)比三種工況垂直應(yīng)力云圖可知，不同支護(hù)方式的應(yīng)力集中程度有所差異，工況一中煤柱應(yīng)力峰值為9.8MPa，工況二中煤柱應(yīng)力峰值為14.8MPa，工況三中煤柱應(yīng)力集中程度較為明顯，煤柱中應(yīng)力峰值最高，為25.6MPa。由此可以判斷，工況一中煤柱全部發(fā)生壓剪破壞，呈散體狀態(tài)，幾乎沒(méi)有承載能力，煤柱強(qiáng)度不足以維護(hù)巷道穩(wěn)定。工況二中煤柱近采空區(qū)側(cè)邊緣破壞區(qū)較大，影響煤柱的穩(wěn)定性，煤柱強(qiáng)度難以維持巷道的穩(wěn)定。工況三中煤柱邊緣雖有小范圍破壞，煤體進(jìn)入塑性變形階段，但在較高的圍壓作用下仍保持自身的穩(wěn)定，且有較強(qiáng)的承載能力，能有效的控制圍巖變形、提高巷道圍巖穩(wěn)定性。

4 工程應(yīng)用

4.1 現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)參數(shù)

在1322(1)工作面主運(yùn)巷進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)效果的試驗(yàn)，巷道錨索網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)如圖4所示。

圖4 未穩(wěn)段采空區(qū)沿空掘巷支護(hù)參數(shù)示意圖(mm)

1)頂板支護(hù)：錨索采用“3-3”居中+兩側(cè)走向錨索布置，安裝在巷道中部，并位于兩根鋼帶之間，兩側(cè)走向槽鋼梁組合錨索布置于頂板不同錨桿之間，橫、縱向槽鋼梁長(zhǎng)度均為2.6m。為了對(duì)頂板進(jìn)行減跨，橫向槽鋼錨索規(guī)格為Φ21.8mm×7200mm；走向槽鋼錨索規(guī)格為Φ21.8mm×6200mm；錨索托板規(guī)格為200mm×120mm×14mm。

2)巷幫支護(hù)：兩排錨索分別位于巷幫由上向下第2根錨桿下方和巷幫下部第4根錨桿上方，距巷道底板距離分別為1100mm和2300mm，巷幫水平錨索由槽鋼梁組合布置，槽鋼梁長(zhǎng)2.6m，每根槽鋼梁上布置3根錨索。

4.2 支護(hù)效果

圖5 1322(1)主運(yùn)巷2測(cè)站圍巖移近量和變形速度曲線

1322(1)主運(yùn)巷2測(cè)站的圍巖移近量和變形速度曲線如圖5所示。由圖5可知，1322(1)孤島面主運(yùn)巷頂?shù)装遄畲笠平俣葹?8mm/d，兩幫為34mm/d，巷道掘進(jìn)35d后圍巖變形減緩，進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定期，但仍處于流變狀態(tài)，此時(shí)頂?shù)装逡平?70mm，兩幫移近量490mm。掘巷100d后頂?shù)装謇塾?jì)移近量675mm，兩幫累計(jì)移近量615mm，說(shuō)明巷道圍巖變形主要發(fā)生在掘進(jìn)初期35d時(shí)間內(nèi)，巷道圍巖變形相對(duì)穩(wěn)定后，仍處于流變狀態(tài)緩慢變形。

5 結(jié) 論

1)通過(guò)模擬沿空巷道三種不同支護(hù)方式得出，由于側(cè)向支承壓力影響，留設(shè)煤柱在三種工況條件下均出現(xiàn)垂直應(yīng)力集中，不同支護(hù)工況下煤柱可能會(huì)發(fā)生壓剪破壞，并且巷道幫部壓力大于頂壓。隨著煤柱承載能力的增強(qiáng)，實(shí)體煤側(cè)幫應(yīng)力峰值逐漸降低，而且峰值位置也逐漸向巷幫深部轉(zhuǎn)移。

2)工程應(yīng)用可知，通過(guò)錨網(wǎng)索聯(lián)合槽鋼梁加強(qiáng)支護(hù)頂板、巷幫圍巖穩(wěn)定性的控制技術(shù)可以有效改善臨空活動(dòng)段沿空巷道的穩(wěn)定性。