沿空留巷圍巖變形特征與控制技術(shù)研究

李鵬偉

【摘 要】 沿空留巷受兩次工作面采動(dòng)影響，巷道變形量大，為了研究沿空巷道圍巖變形規(guī)律和控制技術(shù)，本文采用FLAC3D模擬上煤層回采后，本煤層一次回采巷旁充填、二次回采時(shí)應(yīng)力位移變化情況。由模擬可知，伴隨回采工作面的推移以及構(gòu)筑巷旁充填體，工作面后方覆巖逐漸垮落，距后方100m后，上覆巖層基本穩(wěn)定。采用錨網(wǎng)索支護(hù)和注漿加固提高沿空巷道承載能力，通過(guò)監(jiān)測(cè)圍巖變形量可知，支護(hù)取得了良好效果，能為類似條件下沿空留巷圍巖控制技術(shù)提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】 沿空留巷;礦壓顯現(xiàn);圍巖變形;巷旁充填;圍巖控制

【中圖分類號(hào)】 TD324 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A

【文章編號(hào)】 2096-4102（2020）01-0001-03 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

沿空留巷是煤礦實(shí)現(xiàn)無(wú)煤柱開采的重要手段。但是由于沿空留巷在工作面后方，受兩次工作面采動(dòng)影響引起的礦壓顯現(xiàn)要比用煤柱保護(hù)引起的礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈得多，巷道圍巖所處的應(yīng)力環(huán)境更復(fù)雜，巷道維護(hù)時(shí)比較困難。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)沿空留巷技術(shù)也進(jìn)行了大量的研究，提出“加強(qiáng)支護(hù)”和“開采方法避壓”來(lái)提高沿空巷道的圍巖強(qiáng)度，但目前還存在如巷道變形難以控制、充填工藝與工作面的快速推進(jìn)不匹配等問(wèn)題。因此，如何合理地設(shè)計(jì)巷旁和巷內(nèi)支護(hù)形式及參數(shù)確保沿空留巷的穩(wěn)定性是該項(xiàng)技術(shù)的難點(diǎn)。本文以1204下材料巷為研究對(duì)象，通過(guò)模擬分析得到沿空巷道上覆巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并采用錨網(wǎng)索支護(hù)和注漿加固提高沿空巷道的圍巖強(qiáng)度，保證巷道穩(wěn)定性。

1工作面概況

中興煤業(yè)1204下工作面位于一采區(qū)左翼，煤層底板標(biāo)高+738—+792m，對(duì)應(yīng)的地表標(biāo)高+1190m—+1305m?；夭晒ぷ髅骈_采煤層為2#下，上距2#層3m左右，煤厚1.75-2.25m，傾角3°～18°，平均12°。

2沿空留巷圍巖變形特征

2.1模擬方案

采用FLAC3D模擬上煤層回采后，本煤層一次回采巷旁充填、二次回采等過(guò)程中應(yīng)力分布、位移變化等情況根據(jù)1204下工作材料巷面地質(zhì)條件，建立380m×464m×45m的力學(xué)模型，頂?shù)装鍘r性材料參數(shù)如表1所示，在模型表明施加5.5MPa垂直方向應(yīng)力，側(cè)壓系數(shù)為1。

2.2模擬結(jié)果分析

2.2.1沿空留巷圍巖變形特征

采用FLAC3D模擬得到前支承壓力對(duì)1204下材料巷圍巖穩(wěn)定性的影響，如圖1所示。

由圖1可知，1204下工作面在Y=60m、采面前方支承壓力峰值位于采面前方Y(jié)=73m處，在開采引起支承壓力影響下，1204下材料巷周圍應(yīng)力明顯增大，巷道頂板下沉（垂向位移）、兩幫收斂量（水平位移）顯著增加。

采用FLAC3D對(duì)回采面開采后采空區(qū)覆巖移動(dòng)對(duì)1204下材料巷圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析，具體結(jié)果見圖2。

由圖2可知，1204下材料巷周圍應(yīng)力不斷增大，在距工作面100m左右應(yīng)力穩(wěn)定。采用的高水速凝材料作為充填材料，具有較快的增阻速度，在接頂情況較好的時(shí)候，充填體支撐強(qiáng)度可以迅速增大至10MPa左右，且當(dāng)上方覆巖壓力加大時(shí)，充填體在橫向、豎向方向均會(huì)發(fā)生一定變形，產(chǎn)生卸壓效果，充填體的支承壓力始終保持在11MPa左右。巷道變形主要是頂?shù)装逡平枯^大，主要原因是破碎頂板下沉較為嚴(yán)重，其中的底鼓量相對(duì)較少。

2.2.2二次采動(dòng)期間沿空留巷圍巖變形特征

沿空留巷主要為下區(qū)段工作面生產(chǎn)服務(wù)，所留設(shè)的巷道必須可以滿足下區(qū)段工作面通風(fēng)、生產(chǎn)需求。所以，所留巷道在下區(qū)段工作面回采時(shí)仍然要保證良好的穩(wěn)定性。采用FLAC3D對(duì)下區(qū)段1204下工作面回采引起的支承壓力分布及沿空留巷圍巖應(yīng)力、變形情況進(jìn)行分析，具體結(jié)果見圖3。

由圖3知，1204下工作面回采后引起的采面支承壓力峰值位于采面煤壁前方約14m處，應(yīng)力峰值為原巖應(yīng)力的3.1倍。充填體內(nèi)部支承阻力最大，約為12MPa。在上區(qū)段回采工作面采動(dòng)、本工作面采動(dòng)壓力的雙重作用之下，沿空留巷巷道圍巖破碎程度加劇，靠巷旁充填體一側(cè)的頂板下沉量達(dá)到320mm，底鼓量達(dá)到260mm，巷旁高水材料充填體水平位移量約300mm，煤幫側(cè)水平位移量約400mm，變形量增大。巷道周圍出現(xiàn)大面積的拉剪破壞，應(yīng)力向深部發(fā)生轉(zhuǎn)移。

在1204下工作面支承壓力峰值位置處于采面段沿空留巷巷道圍巖破碎，特別是薄層頂板處，需要加強(qiáng)支護(hù)。同樣，在工作面前方充填體的變形量也存在變化率由大到小的過(guò)程，特別是采面開采引起的支承壓力之前變形量及變化率較小;但是在工作面后方，隨著二次回采推進(jìn)，距離工作面越遠(yuǎn)，變形量逐漸變大，直至完全破壞。

3沿空留巷圍巖控制技術(shù)

3.1錨網(wǎng)索支護(hù)

1204下材料巷頂幫采用錨網(wǎng)索支護(hù)的方式，根據(jù)工作面地質(zhì)條件和頂板完整性，分別確定回采巷道錨桿、錨網(wǎng)、錨索支護(hù)的參數(shù)，如表2所示。

為了提高錨桿支護(hù)后所形成承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，需要在1204下材料巷錨桿之間采用鋼筋梯子梁（Φ14mm圓鋼焊制）連接，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

3.2注漿加固

1204下材料巷采用注漿加固，提高煤柱穩(wěn)定性。采用注漿錨桿施工，將注漿孔與錨桿合二為一。選用QB152型便攜式注漿泵，注漿液采用高水速凝材料。

根據(jù)1204下材料巷圍巖的性質(zhì)，布置方式為“2-1”五花形，每個(gè)注漿循環(huán)施工3個(gè)注漿孔，具體注漿參數(shù)表3。

注漿開始時(shí)緩慢增加壓力，正常注漿壓力為0.5～1.0MPa，終壓為2.0MPa。通過(guò)觀測(cè)圍巖位移確定最佳注漿時(shí)機(jī)。當(dāng)巷幫水平位移量在28mm左右時(shí)，煤柱內(nèi)塑形破壞區(qū)范圍深度約為1.4m，為最佳注漿時(shí)機(jī)。此時(shí)注漿漿液有效擴(kuò)散半徑可以達(dá)到2.2m左右。

4支護(hù)效果檢驗(yàn)

1204下材料巷采用錨網(wǎng)索支護(hù)和注漿后，對(duì)圍巖變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而判定巷道支護(hù)效果。具體1204下材料巷頂板、巷幫位移量見圖4。

由圖4可知，1204下材料巷采用錨網(wǎng)索支護(hù)和注漿加固后，巷道圍巖變形量得到有效的控制。在觀測(cè)的120d時(shí)間范圍內(nèi)，1204下材料巷頂板、巷幫總的變形量分別為27mm、34mm，巷道圍巖變形在安全范圍內(nèi)，表明采用的支護(hù)手段提升了巷道的承載能力及強(qiáng)度，為巷道的安全掘進(jìn)提供了良好的條件。

5結(jié)論

以1204下材料巷為研究對(duì)象，采用FLAC3D模擬上煤層回采后，本煤層中一次回采巷旁充填、二次回采等過(guò)程中應(yīng)力分布、位移變化等情況。在超前支承壓力的影響下，1204下材料巷頂板和實(shí)體煤幫位移較大;隨著采面的推進(jìn)、巷旁支護(hù)體的構(gòu)筑，采空區(qū)上覆巖層垮落下沉，距工作面后方100m以后，上覆巖層基本穩(wěn)定。在鄰近工作面回采期間，所留巷道受到鄰近工作面超前支承壓力的影響，沿空留巷圍巖破碎程度加劇，變形量增大，靠巷旁支護(hù)體一側(cè)的頂板下沉量達(dá)到320mm，底鼓量達(dá)到260mm，巷旁充填體水平位移達(dá)到300mm，煤幫水平位移達(dá)400mm。

本文采用錨網(wǎng)索支護(hù)和注漿加固控制1204下材料巷圍巖變形，分別設(shè)計(jì)了錨網(wǎng)索支護(hù)和注漿參數(shù)。通過(guò)設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)巷道圍巖變形量驗(yàn)證支護(hù)效果，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，支護(hù)后1204下材料巷圍巖平均最大變形量為0.02m，保證了巷道使用安全。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李君青.堅(jiān)硬頂板沿空留巷覆巖結(jié)構(gòu)分析與圍巖控制技術(shù)研究[J].煤礦現(xiàn)代化，2019（5）：16-19.

[2]任玉琦.綜放沿空留巷巷旁充填體應(yīng)力分布和變形特征研究及頂板預(yù)裂角度優(yōu)化[D].太原：太原理工大學(xué)，2019.

[3]張永健.厚煤層綜放沿空留巷圍巖控制技術(shù)研究[J].煤礦現(xiàn)代化，2019（1）：127-129.

[4]楊丁.綜放工作面沿空留巷圍巖控制技術(shù)研究[J].山西煤炭，2018，38（4）：4-7.

[5]武精科，闞甲廣，謝生榮，等.深井高應(yīng)力軟巖沿空留巷圍巖破壞機(jī)制及控制[J].巖土力學(xué)，2017，38（3）：793-800.

[6]張自政.沿空留巷充填區(qū)域直接頂穩(wěn)定機(jī)理及控制技術(shù)研究[D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2016.

[7]曹王建.綜采工作面沿空留巷巷旁充填體合理寬度研究[J].山西能源學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，32（4）：6-8.

[8]郝玉輝.沿空留巷巷旁充填支護(hù)技術(shù)研究[J].山西能源學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，32（4）：9-10，14.