新元煤礦3107工作面回風(fēng)巷圍巖應(yīng)力狀態(tài)及支護(hù)技術(shù)分析

王全宏

(山西國(guó)辰建設(shè)工程勘察設(shè)計(jì)有限公司，山西 陽(yáng)泉 045000)

1 工程概況

新元煤礦3107工作面開采3號(hào)煤層，工作面傾斜長(zhǎng)度為240 m，走向長(zhǎng)度為1 590 m，工作面北部、南部和東部均為實(shí)體煤，北部為輔運(yùn)大巷，3號(hào)煤層厚度為2.2～2.93 m，平均厚度為2.8 m，煤層平均傾角為4°，煤層內(nèi)平均含有1～2層夾矸，煤層上方直接頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚度為6.7 m，基本頂巖層為中砂巖，平均厚度為5 m，煤層底板為泥巖和中細(xì)砂巖。3107工作面內(nèi)布置3條回采巷道，分別為進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷和輔助進(jìn)風(fēng)巷，其中輔助進(jìn)風(fēng)巷與回風(fēng)巷間的煤柱寬度為20 m，具體工作面位置如圖1所示。3107工作面回風(fēng)巷為3107工作面提供回風(fēng)和行人等服務(wù)，巷道沿3號(hào)煤層底板掘進(jìn)，巷道掘進(jìn)寬度×高度=4 000 mm×3 000 mm，由于3107工作面輔助進(jìn)風(fēng)巷為沿空留巷巷道，為保障3107工作面回風(fēng)巷在該工作面動(dòng)壓影響下圍巖的穩(wěn)定，特進(jìn)行圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)和控制技術(shù)研究。

2 圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)

3107工作面采用沿空留巷技術(shù)，沿空留巷巷道為3107工作面輔助進(jìn)風(fēng)巷，沿空留巷期間為保障留巷圍巖的穩(wěn)定，擬針對(duì)留巷巷道采用切頂卸壓技術(shù)，3107工作面回風(fēng)巷與輔助進(jìn)風(fēng)巷間煤柱寬度為20 m，現(xiàn)為有效掌握回風(fēng)巷圍巖應(yīng)力分布情況，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立長(zhǎng)×寬×高=130 m×40 m×60 m的力學(xué)模型，為分析巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，現(xiàn)采用數(shù)值模擬軟件分析回風(fēng)巷掘進(jìn)前，留巷卸壓前后采空區(qū)側(cè)向支撐壓力的分布情況[1-3]，以此得出側(cè)向支承壓力的影響范圍；隨后再進(jìn)一步在回風(fēng)巷掘進(jìn)后，對(duì)留巷卸壓前后采空區(qū)側(cè)向支承壓力的分布情況進(jìn)行分析，最后對(duì)比分析留巷卸壓前后圍巖塑性區(qū)和變形量的差距，進(jìn)而總結(jié)圍巖變形和破壞規(guī)律。

圖1 3107工作面平面位置示意

1) 掘巷前后煤柱應(yīng)力分布特征：根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果能夠得出，回風(fēng)巷掘出前留巷卸壓前后圍巖垂直應(yīng)力分布和回風(fēng)巷掘出后留巷卸壓垂直應(yīng)力分布曲線如圖2所示。

分析圖2(a)可知，3107工作面采動(dòng)影響下，回風(fēng)巷所處區(qū)域在留巷卸壓前后均處于應(yīng)力升高區(qū)內(nèi)，巷道煤柱幫在留巷卸壓前與側(cè)向支承壓力峰值的距離約為2 m，而工作面采用留巷卸壓后此時(shí)距側(cè)向支承壓力的峰值距離約為8 m，留巷卸壓前后巷道煤柱幫位置處垂直應(yīng)力分別為21.02 MPa和18.80 MPa，切頂卸壓對(duì)巷道的下降幅度約為10.56%，留巷卸壓前后實(shí)體煤幫的垂直應(yīng)力分別為19.27 MPa和14.89 MPa，切頂卸壓的降幅為22.73%.

圖2 掘巷前后煤柱垂直應(yīng)力分布曲線

分析圖2(b)可知，留巷卸壓前，煤柱垂直應(yīng)力表現(xiàn)為對(duì)稱的單峰狀，工作面留巷卸壓后，在充填體的作用下，煤柱的承載能力提升，破壞范圍縮小，煤柱峰值區(qū)域向采空區(qū)側(cè)方向偏移3.5 m；距采空區(qū)側(cè)0 m處，留巷卸壓前后的應(yīng)力值相差4 MPa，這表明留巷切頂卸壓有效提升了煤柱的穩(wěn)定性。

2) 圍巖塑性區(qū)分布特征：根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得出留巷切頂卸壓前后3107工作面回風(fēng)巷圍巖塑性區(qū)分布特征，如圖3所示。

圖3 留巷卸壓前后3107工作面回風(fēng)巷圍巖塑性區(qū)分布

分析圖3可知，留巷卸壓前回風(fēng)巷頂板中部存在拉伸和剪切破壞，而頂板兩尖角處呈現(xiàn)為剪切破壞，巷道兩幫肩角和底角處表現(xiàn)為剪切破壞，而兩幫中部同時(shí)存在拉伸破壞和剪切破壞，巷道底板整體塑性區(qū)發(fā)育面積大，剪切破壞范圍大；留巷卸壓后，巷道整體受拉剪破壞的范圍基本與留巷卸壓前相同，但巷道底板剪切破壞的面積相較于留巷卸壓前明顯減小，這表明切頂卸壓能夠在一定程度上降低巷道圍巖塑性區(qū)的發(fā)育深度。

3) 圍巖變形量：根據(jù)留巷卸壓前后的數(shù)值模擬結(jié)果，得出巷道圍巖變形量數(shù)據(jù)，見表1。

表1 留巷卸壓前后圍巖變形量數(shù)據(jù)

分析表1可知，回風(fēng)巷在留巷采用切頂卸壓技術(shù)后，圍巖變形量大幅降低，其中頂板下沉量降幅為28.2%，底板鼓起量的降幅為23.6%，煤柱幫變形量的降幅為39.1%，實(shí)體煤幫變形量的降幅為16.5%.

綜合上述分析可知，3107工作面沿空留巷期間，采用切頂卸壓技術(shù)進(jìn)行留巷作業(yè)時(shí)，能夠有效改善回風(fēng)巷圍巖應(yīng)力環(huán)境，提升煤柱的穩(wěn)定性，使煤柱內(nèi)的塑性區(qū)分布和圍巖破壞程度降低，據(jù)此可知留巷切頂卸壓為回風(fēng)巷圍巖控制的一種手段[4-7]。

3 支護(hù)方案及效果分析

3.1 支護(hù)方案

根據(jù)3107工作面回風(fēng)巷在留巷卸壓前后圍巖應(yīng)力分布特征的分析結(jié)果，同時(shí)考慮沿空留巷作業(yè)的順利進(jìn)行，確定采用切頂卸壓技術(shù)進(jìn)行沿空留巷作業(yè)，結(jié)合回風(fēng)巷的地質(zhì)賦存情況，設(shè)計(jì)巷道采用錨網(wǎng)索支護(hù)，具體支護(hù)方案如下：

1) 頂板支護(hù)：錨桿采用D20 mm×2 400 mm的高強(qiáng)左旋螺紋鋼錨桿(材質(zhì)HRB335)，頂板每排布置6根，間排距為800 mm×800 mm，兩頂角錨桿與頂板呈15°布置，其余錨桿均垂直頂板布置，錨固方式為加長(zhǎng)錨固，預(yù)緊力矩為300 N·m；錨索采用D21.6 mm×8 300 mm的1×7股高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，每間隔兩排錨桿布置一排錨索，每排布置3根，間排距為1 600 mm×1 600 mm，錨索均垂直頂板布置，錨固方式采用加長(zhǎng)錨固，預(yù)緊力為100 kN,頂板表面采用金屬網(wǎng)進(jìn)行護(hù)表，錨桿間采用鋼筋梯子梁進(jìn)行聯(lián)結(jié)。

2) 兩幫支護(hù)：幫部錨桿規(guī)格同頂板，間排距為800 mm×800 mm，錨桿幫部頂幫角向上傾斜15°布置，底幫角傾斜35°布置，其余錨桿均垂直與巷幫布置，錨桿采用加長(zhǎng)錨固，預(yù)緊力矩為300 N·m，幫部錨索采用D21.6 mm×4 200 mm的1×7股高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，間排距為1 400 mm×1 600 mm，采用加長(zhǎng)錨固，其中靠近頂板的錨索與巷幫呈10°布置，第二根錨索垂直巷幫布置，錨桿間同樣采用鋼筋梯子梁進(jìn)行聯(lián)結(jié)。

具體3107工作面回風(fēng)巷支護(hù)方案如圖4所示。

圖4 3107工作面回風(fēng)巷支護(hù)設(shè)計(jì)(mm)

3.2 效果分析

3107工作面支護(hù)方案實(shí)施后，在巷道掘進(jìn)和3107工作面一次采動(dòng)期間均進(jìn)行圍巖變形量的觀測(cè)分析，巷道掘進(jìn)和該工作面回采期間，每間隔50 m布置一個(gè)圍巖變形觀測(cè)點(diǎn)，采用十字布點(diǎn)法進(jìn)行變形量觀測(cè)，根據(jù)觀測(cè)結(jié)果得出一次采動(dòng)和二次采動(dòng)期間圍巖變形曲線如圖5所示。

圖5 一次采動(dòng)和二次采動(dòng)期間圍巖變形量曲線

分析圖5可知，回風(fēng)巷在一次采動(dòng)影響期間，超前工作面0～30 m的范圍內(nèi)圍巖變形量較大，該階段為超前支承壓力影響區(qū)域，進(jìn)而致使該階段內(nèi)圍巖變形量大，當(dāng)工作面與巷道測(cè)點(diǎn)斷面間隔90 m時(shí)，此時(shí)圍巖變形量基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，隨著回采作業(yè)的進(jìn)行，采動(dòng)基本不再影響圍巖變形，最終掘進(jìn)期間和一次采動(dòng)影響期間，頂板下沉量累計(jì)變形量為130.8 mm，底鼓量為633.2 mm，煤柱幫和實(shí)體煤幫的變形量分別為297.2 mm和167.5 mm，一次采動(dòng)影響導(dǎo)致的頂板下沉、底板鼓起、煤柱幫變形和實(shí)體煤幫變形分別為32.6 mm、200 mm、56.7 mm和43.4 mm。據(jù)此可知，巷道采用現(xiàn)有支護(hù)方案，圍巖變形量滿足回采巷道的使用要求，回采期間需加強(qiáng)巷道的臥底作業(yè)。

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)3107工作面的賦存特征，通過數(shù)值模擬分析回風(fēng)巷圍巖應(yīng)力的分布特征，分析了留巷切頂卸壓前后煤柱應(yīng)力和圍巖塑性區(qū)分布特征，確定了留巷切頂卸壓能夠提升煤柱自身煤柱承載能力、降低圍巖塑性區(qū)和變形量，基于圍巖應(yīng)力分析結(jié)果，設(shè)計(jì)巷道采用錨網(wǎng)索支護(hù)方案。根據(jù)圍巖變形量數(shù)據(jù)可知，巷道在現(xiàn)有支護(hù)方案下，滿足回采巷道使用要求。