動壓煤巷變形破壞綜合因素分析研究

鄒海軍

山西錦興能源有限公司肖家洼煤礦，中國·山西 呂梁 033600

針對中國肖家洼煤礦動壓煤巷支護(hù)難題，以211304輔運(yùn)平巷為工程實例，論文從巷道布置、頂板巖性、煤層傾角、支護(hù)方式等方面綜合分析復(fù)雜圍巖環(huán)境下回采巷道變形破壞因素。得出相鄰綜放工作面懸頂、頂板泥巖、煤層傾角以及巷道支護(hù)參數(shù)綜合作用是回采巷道出現(xiàn)底鼓、頂板下沉、兩幫收縮并最終導(dǎo)致支護(hù)失效的主要原因。通過對211304輔運(yùn)平巷變形破壞原因綜合分析研究，為相似條件下的211305、211306 輔運(yùn)平巷圍巖控制提供依據(jù)。

動壓；煤巷；應(yīng)力；圍巖變形；支護(hù)

1 引言

大跨度全煤巷道圍巖穩(wěn)定性是留煤柱放頂煤回采工藝中關(guān)鍵技術(shù)問題之一。對于單翼采區(qū)而言，一次全斷面開挖，除自身圍巖變形外，還要經(jīng)歷相鄰工作面及本工作面兩次采動影響，都可能導(dǎo)致巷道頂板大面積冒落、兩幫破碎、底鼓等劇烈礦壓顯現(xiàn)，給回采巷道的維護(hù)帶來困難。針對211304輔運(yùn)平巷支護(hù)難題，通過對巷道變形破壞因素綜合分析，基于一體化綜合控制思路，確定巷道修復(fù)支護(hù)優(yōu)化方案。

2 地質(zhì)生產(chǎn)條件

肖家洼煤礦位于山西省呂梁市興縣境內(nèi)，礦井設(shè)計生產(chǎn)能力8.0Mt/a，井田面積60.4km2，可采儲量753Mt，服務(wù)年限69.8a。目前礦井正在回采8#煤11采區(qū)和13#煤21采區(qū)。回采巷道出現(xiàn)較為嚴(yán)重的礦壓顯現(xiàn)問題始于21采區(qū)211304輔運(yùn)平巷。巷道凈高3.5m，凈寬5.4m，凈斷面積18.9m2，設(shè)計長度3155.5m。地面標(biāo)高+1152.2～+1291.8m，井下標(biāo)高+854～+907m。211304輔運(yùn)平巷東鄰211303綜放工作面；西鄰13#煤層未開采區(qū)域；南鄰井田邊界；北鄰21采區(qū)輔運(yùn)上山。211304輔運(yùn)平巷布置如圖1所示。

圖1 211304輔運(yùn)平巷布置示意圖（1：211303綜放工作面；2：211303膠運(yùn)平巷；3：211304輔運(yùn)平巷；4：保護(hù)煤柱）

從現(xiàn)場實際觀測情況來看，簡單地采取加強(qiáng)支護(hù)并不能從根本上解決巷道圍巖變形問題，必須對巷道動壓成因及傳遞規(guī)律進(jìn)行分析，并采取針對性措施，這樣才能從根本上解決問題[1]。

3 動壓煤巷變形破壞因素分析

3.1 相鄰工作面?zhèn)认驊翼斠蛩?/h3>

211303綜放工作面進(jìn)行大面積回采以后，采空區(qū)上覆巖層重量將向周圍支承區(qū)轉(zhuǎn)移，形成支承壓力帶。在工作面前方形成移動性支承壓力，在工作面傾斜方向形成側(cè)向支承壓力，在工作面后方形成殘余支承壓力。211303綜放工作面后方頂板能夠及時垮落，而膠運(yùn)平巷上方頂板卻保持長距離懸頂，形成工作面與保護(hù)煤柱側(cè)向支承壓力的傳輸通道，211303膠運(yùn)平巷與211304輔運(yùn)平巷之間20m 保護(hù)煤柱賦存較大的支承壓力，使得211304輔運(yùn)平巷出現(xiàn)了底鼓、頂板墜包、兩幫嚴(yán)重收縮等動壓現(xiàn)象。

工作面回采后，采空區(qū)側(cè)上覆巖體垂直于工作面推進(jìn)方向的斷裂剖面如圖2所示。隨著煤層采出，直接頂隨之發(fā)生不規(guī)則的垮落下沉，與其上方的基本頂發(fā)生離層。基本頂在直接頂垮落后，發(fā)生斷裂、回轉(zhuǎn)或彎曲下沉，在采空區(qū)側(cè)形成由斷裂塊體組成的相互鉸接結(jié)構(gòu)[2]。

圖2 回采巷道側(cè)向頂板破斷規(guī)律（1：211303 采空區(qū)；2：20m 保護(hù)煤柱；3：211304輔運(yùn)平巷；4：直接頂；5：基本頂）

保護(hù)煤柱處于懸臂下方，隨著工作面不斷向前推進(jìn)，巷道懸頂長度不斷加大，較長的厚層懸臂使煤柱承擔(dān)過大的附加載荷，在應(yīng)力傳遞轉(zhuǎn)移作用下相鄰回采工作面巷道圍巖變形失穩(wěn)，可見懸臂塊體對于相鄰回采巷道圍巖穩(wěn)定至關(guān)重要。塊體主要包括3個基本尺寸：側(cè)向斷裂跨度D，沿工作面推進(jìn)方向的懸頂長度L 和塊體的厚度h?？捎檬剑?）進(jìn)行計算：

側(cè)向懸頂長度L與側(cè)向斷裂跨度D，工作面長度S有關(guān)。采用控制變量法，在工作面長度S一定的條件下，側(cè)向懸頂長度L與側(cè)向斷裂跨度D的關(guān)系如圖3所示。

圖3 側(cè)向懸頂長度與側(cè)向斷裂跨度關(guān)系

如圖4所示，依據(jù)211303綜放工作面與211304回采巷道相對位置關(guān)系和生產(chǎn)地質(zhì)條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立計算模型。計算模型總體尺寸為300×100×106m，模型底面固定，4個側(cè)面限制水平運(yùn)動。模型以煤柱沿走向方向中點為原點布置測點，超前工作面范圍為0～50m，滯后工作面范圍為-50～0m，工作面每推進(jìn)5m 記錄一次測點塑性區(qū)、垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力變化情況。

圖4 數(shù)值模擬模型（1：211303綜放工作面；2：211304輔運(yùn)平巷；3：測點；4：20m 保護(hù)煤柱）

20m 保護(hù)煤柱不同寬度范圍及211304輔運(yùn)平巷采煤幫應(yīng)力分布規(guī)律數(shù)值模擬分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 放頂煤條件下20m 煤柱及巷道采煤幫不同高度垂直應(yīng)力分布

由圖5所示，測點位于工作面前方50m范圍內(nèi)時，煤柱垂直應(yīng)力隨工作面的推進(jìn)呈動態(tài)非線性上升趨勢。從圖中可見，工作面位于測點前方40m處時，煤柱寬度10～20m范圍垂直應(yīng)力出現(xiàn)拐點下降，表明煤柱已卸壓，巷道煤柱幫開始出現(xiàn)變形。

圖6 放頂煤條件下20m 煤柱及巷道采煤幫不同高度水平應(yīng)力分布

如圖6所示，煤柱內(nèi)水平應(yīng)力隨工作面的推進(jìn)呈現(xiàn)出由慢到快、總體上升的非線性趨勢?？傮w來看，巷道煤柱水平應(yīng)力在工作面推過測點40m后，水平應(yīng)力增長速率加大，并將保持長距離高應(yīng)力范圍，表明相鄰工作面推進(jìn)后方40m 開始，巷道圍巖將在高水平應(yīng)力作用下開始發(fā)生變形，直至破壞。

綜上分析，相鄰工作面懸頂距離過長對回采巷道維護(hù)是極為不利的，必須在懸頂造成回采巷道圍巖變形之前，及時采取強(qiáng)制放頂措施，切斷應(yīng)力傳遞[3]。

3.2 頂板巖性因素

表1 211304 工作面頂?shù)装鍘r性

3.3 煤層傾角因素

3.3.1 上幫重力沿層面的分力導(dǎo)致上幫墻體擠入

如圖7所示，受煤層傾角影響，在巷道上幫重力沿層面的分力作用下，巷道上幫煤體始終存在向巷內(nèi)移動和垮落的趨勢，在不支護(hù)的條件下上幫煤體必然要向巷道內(nèi)抽冒直至一定范圍。

圖7 回采巷道上幫受力

在支護(hù)構(gòu)件對巷道頂部煤體控制較好的條件下，巷道上幫容易出現(xiàn)如圖9所示的墻體擠入巷內(nèi)的破壞形式，特別是在巷道頂部布置多根錨索而上幫煤體附近有弱面的條件下。在回采巷道存在弱面且支護(hù)不到位的情況下，巷道上幫也會出現(xiàn)煤體擠入的變形破壞。

3.3.2 全煤巷道四周來壓變形破壞

如圖8所示，在特厚煤層條件下，所掘巷道的頂板方向保留一定厚度的頂煤，由于煤層傾角問題，巷道底板可能留有一定量的底煤，這樣布置的回采巷道在采動影響是四周來壓，有可能錨桿支護(hù)系統(tǒng)沒有失效而巷道失效，斷面不能滿足使用要求。由于底板一般不支護(hù)，四周來壓底鼓更為突出。

圖8 沿煤層底板掘進(jìn)巷道四周全面來壓

圖9 巷道上幫受力擠入巷內(nèi)的破壞形式

對于211304輔運(yùn)平巷，在上區(qū)段工作面回采動壓影響下，要承受比其它回采巷道更大的壓力，如圖9所示。采用與其它回采巷道相同的掘進(jìn)方式與錨桿支護(hù)參數(shù)，巷道維護(hù)效果會大打折扣，因此可以考慮采用破底板掘進(jìn)，使巷道上幫錨桿能夠錨入到底板巖層中[4]。

4 結(jié)語

（1）21采區(qū)為單翼下行開采，相鄰采掘工作面存在對采對掘問題，巷道從開掘到投入使用要經(jīng)歷掘巷蠕變，同時相鄰211303綜放工作面采用全部垮落法管理采空區(qū)頂板，12.8m厚的煤層采出后，在碎脹系數(shù)1.35的條件下將影響頂板36.6m厚的巖層，211303 工作面直接頂和基本頂分別為致密堅硬的厚層砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，在保護(hù)煤柱的支承作用下，211303膠運(yùn)平巷采空區(qū)形成了厚度大、跨度長的側(cè)向懸臂梁結(jié)構(gòu)，在應(yīng)力的轉(zhuǎn)移傳遞作用下，間接對211304輔運(yùn)平巷形成側(cè)向動壓影響，使得211304輔運(yùn)平巷在滯后相鄰211303綜放工作面40m 開始出現(xiàn)巷道變形破壞現(xiàn)象。這是211304輔運(yùn)平巷變形破壞的采掘接替、巷道布置因素。

（2）211304輔運(yùn)平巷頂煤上方存在0～4.34m厚的泥巖偽頂，遇水膨脹使得錨索失效，同時使得巷道上方頂煤形不成支撐結(jié)構(gòu)，而成為支護(hù)結(jié)構(gòu)的載荷，出現(xiàn)頂板離層、下沉、變形、錨索拉斷現(xiàn)象，這是211304輔運(yùn)平巷變形破壞的巖性因素。

（3）受煤層傾角影響，在巷道上幫重力沿層面的分力作用下，巷道上幫煤體始終存在向巷內(nèi)移動和垮落的趨勢，尤其在有弱面存在的情況下，巷道變形更加突出，因此考慮巷道破底掘進(jìn)，將錨桿錨固到底板巖層中，這是211304輔運(yùn)平巷變形破壞的地質(zhì)因素。

（4）211304輔運(yùn)平巷動壓影響期間，采用常規(guī)支護(hù)參數(shù)不能有效控制圍巖變形，錨索拉斷現(xiàn)象十分普遍，需要重新對動壓巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行分析研究，優(yōu)化支護(hù)參數(shù)，這是211304輔運(yùn)平巷變形破壞的支護(hù)合理性因素。