基于松動圈測試的迎采動巷道圍巖控制技術(shù)研究

王夏南

（長治三元中能煤業(yè)有限公司，山西長治046600）

0 引言

工作面開采過程中會對周圍巖體產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動作用，等圍巖穩(wěn)定后再對相鄰巷道進(jìn)行掘進(jìn)[1]。但在實(shí)際生產(chǎn)過程中面臨生產(chǎn)效率低、巷道掘進(jìn)慢等問題，回采和掘進(jìn)同時(shí)進(jìn)行，掘進(jìn)巷道受上個(gè)工作面的采動影響，使巷道發(fā)生變形破壞，維護(hù)困難[2-3]。目前多通過留煤柱來減弱回采對相鄰巷道的影響，但巷道依舊受到較大破壞，因此分析迎采動巷道圍巖變形機(jī)理、建立圍巖控制理論十分重要。本文基于松動圈測試方法對迎采動巷道圍巖破壞機(jī)理進(jìn)行分析，通過數(shù)值模擬研究巷道掘進(jìn)、相鄰工作面回采、本工作面回采期間的圍巖變形特征，從而提出迎采動影響下巷道圍巖控制技術(shù)。

1 工程概況

某礦1203工作面隸屬2號煤層，煤厚1.60 m～3.65 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，全區(qū)穩(wěn)定可采。1203膠帶順槽處于掘進(jìn)中，毗鄰1201 工作面，如圖1 所示。1203 膠帶順槽頂?shù)装鍘r層分布情況如圖2所示。通過巖石實(shí)驗(yàn)力學(xué)參數(shù)測試，結(jié)果見表1。

圖1 工作面巷道關(guān)系圖

圖2 工作面頂?shù)装逯鶢顖D

表1 1203工作面頂?shù)装鍘r層力學(xué)特性

1203膠帶順槽原采用錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+托盤聯(lián)合支護(hù)，但受1201 工作面回采影響，巷道頂板出現(xiàn)冒頂現(xiàn)象，加大了巷道支護(hù)難度。

2 1203膠帶順槽松動圈測試研究

1203膠帶順槽掘進(jìn)后，打破了原巖應(yīng)力的平衡狀態(tài)，圍巖應(yīng)力重新分布，在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值后，對巷道周圍的煤巖產(chǎn)生破壞，產(chǎn)生裂隙從而形成松動圈。為了掌握巷道圍巖松動圈范圍，進(jìn)行松動圈測試。

2.1 測試方案

（1）測站布置

為綜合反映1203 膠帶順槽圍巖的松動圈特征，在巷道中共布置3 個(gè)測站，編號為4、5、6。測站布置如圖3所示。

圖3 松動圈測站布置圖

（2）鉆孔布置

在測站的頂?shù)装迮c兩幫中心打4 個(gè)鉆孔，頂?shù)装邈@孔垂向鉆進(jìn)，兩幫鉆孔水平偏下成10°～15°夾角，孔深2 m，孔徑38 mm。

（3）測試過程

采用單孔測試法，將超聲波無損檢測分析儀連接探頭通電預(yù)熱后，用推桿將探頭送入孔底，然后拉動推桿將探頭向外移動，每移動10 cm 記錄一次讀數(shù)，直到孔口為止。

2.2 測試結(jié)果分析

表2 為1203 膠帶順槽的圍巖松動圈范圍，該結(jié)果表明，巷道在掘進(jìn)過程中，受到相鄰工作面回采影響，巷道圍巖淺部比較破碎，破壞變形主要集中在頂板與兩幫，底板破壞程度較低?；诖私Y(jié)果，1203 膠帶順槽圍巖屬于Ⅳ類不穩(wěn)定巷道。

3 迎采巷道圍巖變形特征數(shù)值模擬分析

為了對迎采動巷道圍巖變形有清晰的認(rèn)識，采用FLAC3D數(shù)值模擬對巷道掘進(jìn)期間、相鄰工作面回采期間、本工作面回采期間有無支護(hù)條件的圍巖情況進(jìn)行模擬。因?yàn)樵兄ёo(hù)時(shí)巷道變形較大，因此數(shù)值模擬中對巷道支護(hù)方式進(jìn)行優(yōu)化，頂錨桿由原來的? 18×1 800 mm 改為? 20×2 400 mm，煤柱幫錨桿由原來的? 16×1 600 mm改為? 18×2 000 mm，實(shí)體煤幫錨桿由原來的? 18×1 800 mm改為? 20×2 000 mm，錨索由原來的? 17.8×5 500 mm改為? 17.8×7 500 mm。錨桿間排距為900 mm×900 mm，錨索間排距為1 800 mm×1 800 mm。

3.1 模型構(gòu)建

模型巷道位置如圖4 所示，膠帶順槽與軌道順槽均為矩形斷面，膠帶順槽為5 m×3 m，軌道順槽為4.5 m×3 m，1203工作面寬度180 m，1203軌道順槽與回風(fēng)順槽相距28 m，取1201工作面長度75 m，1205工作面取90 m，1203膠帶順槽與1201工作面之間的煤柱寬度取22 m，可得模型長度404.5 m；2 號煤厚2.80 m，頂板48.20 m，底板24.30 m；工作面推進(jìn)距離為200 m，模型的長×寬×高為404.5 m×200 m×75.3 m。模型四周與底部均為固定條件，頂部施加載荷以代替覆巖的壓力。模型劃分261 300個(gè)單元，279 888個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖4 巷道布置示意圖

建立數(shù)值模擬模型，進(jìn)行初始應(yīng)力平衡計(jì)算，隨后開始相應(yīng)的回采。第一步，掘進(jìn)工作面的各巷道，隨之采用相應(yīng)的支護(hù)方案進(jìn)行計(jì)算至平衡；第二步，模擬工作面回采，將每一次的回采距離對各巷道圍巖穩(wěn)定性的影響進(jìn)行記錄。注意在下一次掘進(jìn)前必須保證上一次的掘進(jìn)已經(jīng)進(jìn)行至平衡。由于回采過程中頂板垮落，采空區(qū)冒落矸石對上覆巖層起到了一定的支撐作用，因此在采空區(qū)充填具有碎脹系數(shù)及力學(xué)特征的彈性材料。在全部模擬過程中，記錄數(shù)值分析的結(jié)果及監(jiān)測各巷道的圍巖變形情況。

3.2 計(jì)算結(jié)果及其分析

（1）巷道掘進(jìn)期間

表3 為有無支護(hù)時(shí)1203 膠帶順槽圍巖變形量，從表3 可知，在有支護(hù)時(shí)頂?shù)装逡平坑蔁o支護(hù)時(shí)的122.05 mm減小到28.60 mm，兩幫移近量由410.10 mm減小到78.24 mm，錨桿錨固范圍頂板離層量為2.45 mm，錨索錨固范圍頂板離層量為3.44 mm，頂板錨固范圍總離層量為5.89 mm，由此可知，有支護(hù)時(shí)，圍巖變形量大幅減小，在受到采動影響前是穩(wěn)定的。

表3 有無支護(hù)時(shí)1203膠帶順槽掘進(jìn)圍巖變形量

（2）相鄰工作面回采期間

圖5是有無支護(hù)條件下1203膠帶順槽巷道圍巖的變形量曲線圖，無支護(hù)時(shí)，隨著相鄰工作面的回采，頂?shù)装逡七M(jìn)量由122.05 mm增至194.29 mm，兩幫移近量由410.4 mm 增至562.4 mm，進(jìn)行支護(hù)后，頂?shù)装逡平坑?8.6 mm增至58.28 mm，兩幫移近量由78.0 mm增至129.5 mm。圖6為有支護(hù)巷道頂板離層量隨工作面至測點(diǎn)距離的變化曲線圖，由圖可知有支護(hù)時(shí)頂板離層量基本無變化，說明支護(hù)系統(tǒng)處于良好的承載狀態(tài)。圖7、圖8為巷道在有無支護(hù)時(shí)巷道圍巖屈服破壞圖，對比可知，支護(hù)后1203 膠帶順槽的圍巖破壞區(qū)域明顯減少。

圖5 相鄰工作面回采期間巷道圍巖變形曲線圖

圖6 巷道頂板離層量隨工作面至測點(diǎn)距離的變化曲線圖

圖7 膠帶順槽無支護(hù)時(shí)隨相鄰工作面煤壁至測點(diǎn)距離的圍巖破壞特征

圖8 膠帶順槽有支護(hù)時(shí)隨相鄰工作面煤壁至測點(diǎn)距離的圍巖破壞特征

根據(jù)上述數(shù)值模擬結(jié)果，1203膠帶順槽在掘進(jìn)期間的塑性區(qū)與圍巖變形量較小，但受相鄰工作面和本工作面回采影響，塑性區(qū)范圍與圍巖變形量均顯著增加，并且巷道在煤柱幫受到的破壞影響要大于實(shí)體煤幫。該結(jié)果表明迎采動巷道在相鄰工作面動壓影響下，煤柱幫率先破壞，導(dǎo)致巷道圍巖受力不均，巷道穩(wěn)定性變差。對比1203膠帶順槽加入支護(hù)系統(tǒng)后，圍巖有了明顯改善，采用優(yōu)化后的支護(hù)系統(tǒng)，巷道穩(wěn)定性明顯提升。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

根據(jù)上述分析結(jié)果，迎采動巷道兩幫的破壞程度不同，優(yōu)化支護(hù)方案如下：

頂板支護(hù)為：? 20×2 400 mm 的高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，間排距均為900 mm；? 17.8×7 500 mm的鋼絞線錨索，間排距均為1 800 mm。

兩幫支護(hù)：實(shí)體煤幫采用? 20×2 000 mm 玻璃鋼錨桿，煤柱幫采用? 18×2 000 mm高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，支護(hù)密度相同，間排距1 100 mm×900 mm，如圖9 所示。

采用優(yōu)化后的支護(hù)方案后，經(jīng)長期巷道圍巖觀測結(jié)果可知，巷道圍巖變形幅度小，支護(hù)效果明顯提高。

圖9 巷道支護(hù)布置圖

5 結(jié)論

本文對迎采動巷道圍巖控制技術(shù)進(jìn)行了研究，結(jié)論如下：

（1）采用松動圈測試方法，對1203 迎采動巷道圍巖松動圈進(jìn)行了測試。1203 膠帶順槽頂?shù)装搴蛢蓭偷乃蓜尤ζ骄疃葹?.95 m、0.08 m、0.55 m和0.30 m，圍巖淺部比較破碎，變形破壞主要集中在頂板與兩幫，底板破壞程度較低。基于此結(jié)果，1203膠帶順槽圍巖條件屬于Ⅳ類不穩(wěn)定巷道。

（2）通過數(shù)值模擬分析了1203迎采動巷道在不同時(shí)期的塑性區(qū)與圍巖變形量。巷道受相鄰工作面和本工作面回采動壓影響，塑性區(qū)與圍巖變形量均出現(xiàn)顯著性增大，巷道煤柱幫受到的破壞要大于實(shí)體煤幫。該結(jié)果表明迎采動巷道在相鄰工作面回采擾動下，煤柱幫率先出現(xiàn)破壞，導(dǎo)致巷道圍巖受力不均，巷道穩(wěn)定性差。

（3）基于松動圈測試與數(shù)值模擬結(jié)果，對1203 膠帶順槽支護(hù)方案進(jìn)行了優(yōu)化，采用錨桿+金屬網(wǎng)+鋼筋梯子梁+錨索聯(lián)合支護(hù)，巷道兩幫破壞擾動存在差異，因此采用不同的支護(hù)參數(shù)。采用優(yōu)化后的支護(hù)方案后，經(jīng)長期巷道圍巖觀測結(jié)果可知，巷道圍巖變形幅度小，支護(hù)效果明顯提高。