“三軟”煤層綜采工作面回采應(yīng)力變化規(guī)律及對策

（貴州大方煤業(yè)有限公司，貴州 畢節(jié) 551600）

“三軟”地層煤礦中出現(xiàn)的巷道變形破壞有很大一部分是由采煤擾動引起的次生應(yīng)力導(dǎo)致的。在某些情況下，次生應(yīng)力產(chǎn)生的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原巖應(yīng)力，正確認(rèn)識次生應(yīng)力引起的應(yīng)力集中或釋放是控制圍巖失穩(wěn)的必要條件。為了有效控制圍巖變形，需要進(jìn)一步加大對開采次生應(yīng)力的研究并采取措施。

1 基本概況

貴州大方煤業(yè)有限公司小屯煤礦為“三軟”地層條件：頂板和底板均為泥質(zhì)粉砂巖或粉質(zhì)泥沙巖，煤層中含有0 m ～1.2 m的軟分層。

1.1 工作面頂?shù)装寮懊簩忧闆r

煤層直接頂為泥質(zhì)粉砂巖、基本頂為6 上煤、泥質(zhì)粉砂巖、向上為泥巖、B1 灰?guī)r。直接底為泥巖和粉砂巖。頂?shù)装鍘r石遇水極易膨脹，造成頂板下沉、兩幫變形、底板鼓起。礦井主要開采6 中煤，煤層平均厚度2.3 m。

1.2 巷道支護(hù)方式

順槽巷道采用錨網(wǎng)索支護(hù)方式，支護(hù)錨桿采用全螺紋樹脂錨桿；頂部錨索規(guī)格為Φ21.6mm×9000mm，頂部鋼帶采用4500mmT 型鋼帶，幫部鋼筋梯直徑為Φ12 mm。巷道超前支護(hù)采用單體液壓支柱配合工字鋼支護(hù)，一梁四柱，排距600 mm。

1.3 巷道變形影響情況

根據(jù)一采區(qū) 16 中 04、16 中 06、16 中 07、16 中 10 等已采工作面巷道圍巖變形觀測，頂板下沉量平均 400 mm ～800 mm，每幫位移量為330 mm ～470 mm，短期內(nèi)平均底鼓量可達(dá)1 100 mm。

2 地應(yīng)力對巷道的影響

地應(yīng)力是巷道變形和破壞的直接因素，根據(jù)最大水平應(yīng)力理論：作用在巷道周圍的原巖應(yīng)力和次生應(yīng)力可能使巖石材料本身以及沿層面發(fā)生破壞，從而形成一定范圍的破壞區(qū)（仍具有殘余強(qiáng)度），破壞區(qū)的巖石對下位巖層形成膨脹載荷，造成頂板彎曲下沉。同時(shí)由于已出現(xiàn)破壞的巖層抵抗水平應(yīng)力的能力明顯降低，會導(dǎo)致應(yīng)力進(jìn)一步向圍巖深部轉(zhuǎn)移，在深部形成新的破壞區(qū)，這個(gè)過程會繼續(xù)下去直至遇到強(qiáng)度足夠高的巖層，或者被支護(hù)系統(tǒng)所阻止。

3 應(yīng)力試驗(yàn)

3.1 地點(diǎn)

該次試驗(yàn)主要布置4 個(gè)測點(diǎn)：其中地應(yīng)力測試點(diǎn)1 個(gè)，布置在16 中13 運(yùn)順底抽巷測點(diǎn)：方位300°，傾角30°，孔深12 m，孔徑110 mm，安裝于頂板泥質(zhì)粉砂巖中。次生應(yīng)力測試點(diǎn)3 個(gè)：分別布置在16 中09 軌順（1#、2#）和主平硐（3#）：方位300°，傾角12°，孔深10 m，孔徑110 mm，安裝于頂板粉砂巖中，應(yīng)力試驗(yàn)采用鉆孔應(yīng)力解除法[1]。

3.2 工作面超前水平應(yīng)力變化特點(diǎn)

3.2.1 水平應(yīng)力整體不間斷增加

在距離工作面大約150 m 的位置開始出現(xiàn)明顯應(yīng)力，在距離工作面127 m 的位置應(yīng)力集中影響顯著增大，至距離工作面15 m 處達(dá)到應(yīng)力集中影響最大值，未出現(xiàn)應(yīng)力峰值。

3.2.2 最大水平應(yīng)力波浪形增加

最大水平應(yīng)力對工作面回采影響顯著大于最小水平應(yīng)力，在工作面停采后，即距離工作面15 m 時(shí)，應(yīng)力最大值達(dá)到16 MPa，較初始應(yīng)力值5.60 MPa 增加了10.4 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.86。

3.2.3最大水平應(yīng)力呈現(xiàn)周期性

在距離工作面150 m、127 m、95 m、64 m 和30 m 的位置分別出現(xiàn)區(qū)域應(yīng)力峰值，表現(xiàn)出工作面回采超前來壓周期性，推斷水平應(yīng)力來壓步距在30 m 左右，來壓強(qiáng)度逐漸增大。

3.2.4 水平應(yīng)力集中程度不一致

水平應(yīng)力隨著工作面的不斷推進(jìn)不斷加大，最大水平應(yīng)力呈現(xiàn)垂直工作面走向不斷增大，最小水平應(yīng)力在平行工作面方向上呈現(xiàn)先增大，在靠近工作面時(shí)減小的趨勢。

3.3 工作面超前垂直應(yīng)力變化特點(diǎn)

工作面回采期間垂直應(yīng)力監(jiān)測變化曲線圖如圖1 所示。

3.3.1 垂直應(yīng)力整體呈現(xiàn)不斷增大趨勢

在工作面回采期間距離工作面140 m位置時(shí)出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，在距離工作面127 m 的位置應(yīng)力集中影響顯著增大，至距離工作面15 m 處達(dá)到應(yīng)力集中影響最大值，未出現(xiàn)應(yīng)力峰值。

3.3.2 垂直應(yīng)力在回采期間呈現(xiàn)波浪形

在工作面停采后，即距離工作面15 m 時(shí)，應(yīng)力最大值達(dá)到17.68 MPa，較初始應(yīng)力值6.69 MPa 增加了10.99 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.64[2]。

3.3.3 垂直應(yīng)力應(yīng)力峰值同樣具有周期

當(dāng)距離工作面127 m、94 m、69 m、43 m 和24 m 位置分別出現(xiàn)區(qū)域應(yīng)力峰值，表現(xiàn)出工作面回采超前來壓周期性。

圖1 工作面回采期間垂直應(yīng)力監(jiān)測變化曲線圖

3.4 縱向應(yīng)力變化特征

3.4.1 垂直方向應(yīng)力呈現(xiàn)周期性震蕩

在距離工作面150 m 時(shí)應(yīng)力出現(xiàn)明顯增加現(xiàn)象，至距離工作面15 m，應(yīng)力值增加了9.6 MPa，其偏向呈現(xiàn)周期性震蕩，為垂直應(yīng)力變化特征。

3.4.2 水平方向應(yīng)力變化較小不明顯

在距離工作面150 m 時(shí)出現(xiàn)明顯應(yīng)力增大現(xiàn)象，到距離工作面15 m 時(shí)應(yīng)力增加量達(dá)到最大值3.1 MPa，其傾角變化幅度不明顯。

4 巷道支護(hù)影響因素

4.1 應(yīng)力集中程度高

工作面超前應(yīng)力顯著影響區(qū)開始于距離工作面127 m 位置，隨著工作面推進(jìn)距離減小，影響范圍和強(qiáng)度不斷增大，至距離工作面15 m 時(shí)，水平應(yīng)力達(dá)到最大值16 MPa，較初始應(yīng)力值5.60 MPa 增加了10.4 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.86；垂直應(yīng)力也達(dá)到最大值17.68 MPa，較初始應(yīng)力值6.69 MPa 增加了10.99 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.64。

4.2 圍巖強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)

圍巖強(qiáng)度低、結(jié)構(gòu)差：塑變性能（低圍壓、高垂壓）、流變性能（隨時(shí)間產(chǎn)生流變效應(yīng)）、碎脹性能（體積狀態(tài)發(fā)生變化，巖體變巖塊，節(jié)理裂隙發(fā)育）。

4.3 采動應(yīng)力擾動影響

工作面回采影響范圍廣、采動應(yīng)力擾動強(qiáng)，礦壓顯現(xiàn)劇烈，頂?shù)装搴蛶筒克闹軄韷?。根?jù)16 中09 工作面應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果推斷，主平硐水平應(yīng)力影響范圍在240 m 以內(nèi)，垂直應(yīng)力影響范圍在225 m 以內(nèi)，周期性來壓步距在10 m 左右。

5 采取對策

5.1 延緩巷道變形程度

通過減少排距、增加單體支護(hù)數(shù)量等方式增加超前支護(hù)強(qiáng)度，通過堵水、疏水減少巷道頂?shù)装迨芩莸挠绊憽?/p>

5.2 提高圍巖承載能力

切斷應(yīng)力傳遞途徑，可采用切頂卸壓，應(yīng)力轉(zhuǎn)移至深部穩(wěn)定煤巖體。改變圍巖受力狀態(tài)，施加的預(yù)應(yīng)力增加圍壓，使得圍巖由單向或二向受力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿蚴芰顟B(tài)。

5.3 提高巷道支護(hù)強(qiáng)度

提高巷道承載動壓擾動能力，采用主動支護(hù)方式，保證錨桿和錨固區(qū)巖體相互作用而形成統(tǒng)一的承載結(jié)構(gòu)，錨索錨固到B1 灰?guī)r，配合噴漿減少頂板風(fēng)化破碎程度[3]。

5.4 提高圍巖力學(xué)強(qiáng)度

在掘進(jìn)過程中緊跟迎頭支護(hù)，通過錨注對圍巖增強(qiáng)改性，阻止圍巖破碎范圍的進(jìn)一步擴(kuò)展。

5.5 合理留設(shè)煤柱巖柱

根據(jù)應(yīng)力測定結(jié)果和切眼留巷試驗(yàn)結(jié)果保留適當(dāng)煤巖柱，可以取得良好效果。

5.6 合理確定巷道關(guān)系

底抽巷與順槽的相互位置影響到回采過程中對底抽巷的破壞關(guān)系，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果兩條巷道上下對齊優(yōu)于內(nèi)錯(cuò)（底抽巷在順槽內(nèi)側(cè)），內(nèi)錯(cuò)優(yōu)于外錯(cuò)，應(yīng)當(dāng)合理選擇。

6 結(jié)論

根據(jù)實(shí)際次生應(yīng)力結(jié)果而進(jìn)行支護(hù)方式改進(jìn)、注漿加固等措施，巷道變形明顯減少，下一步還需結(jié)合切頂留巷等方式進(jìn)行巷道卸壓，同時(shí)優(yōu)化巷道支護(hù)參數(shù)且不斷試驗(yàn)取得最佳效果，為安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。