采動(dòng)巷道圍巖非均勻變形特征及穩(wěn)定性控制技術(shù)研究

朱 影，張宜海，蔣紹軍

(1.昆明煤炭科學(xué)研究所，云南 昆明 650200；2.云南省煤炭產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650032；3.云南東源鎮(zhèn)雄煤業(yè)有限公司，云南 昭通 657200)

我國(guó)煤礦每年的巷道掘進(jìn)量約為20000km，其中70%～80%的巷道都受到工作面采動(dòng)應(yīng)力影響，表現(xiàn)出底鼓嚴(yán)重、圍巖變形大等特點(diǎn)，變形后的巷道圍巖再生裂隙發(fā)育，若不及時(shí)進(jìn)行治理，最終可能導(dǎo)致冒頂甚至巷道的整體失穩(wěn)，采動(dòng)影響下巷道圍巖穩(wěn)定性控制問(wèn)題嚴(yán)重困擾著我國(guó)煤炭資源的安全高效開(kāi)采[1-3]。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)采動(dòng)巷道圍巖變形及控制方面開(kāi)展了研究[4-8]。馬念杰等[9]基于深部采動(dòng)巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境，探討了頂板穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行了，認(rèn)為支護(hù)體必須要有足夠的長(zhǎng)度和延伸性能才能保持頂板圍巖穩(wěn)定，并據(jù)此提出了可接長(zhǎng)錨桿支護(hù)新技術(shù)。康紅普等[10]提出了高預(yù)應(yīng)力、長(zhǎng)度較短的強(qiáng)力錨索支護(hù)方式，并解決了漳村煤礦受掘進(jìn)和回采疊加、重復(fù)采動(dòng)影響回采巷道圍巖控制難題。黃炳香等[11]認(rèn)為采動(dòng)巷道圍巖大變形破壞實(shí)質(zhì)上是圍巖應(yīng)力超過(guò)其強(qiáng)度，導(dǎo)致圍巖出現(xiàn)峰后變形破壞，采動(dòng)巷道圍巖大變形具有顯著的長(zhǎng)時(shí)流變性和圍巖結(jié)構(gòu)整體滑移特征。余偉健等[12]基于巷道開(kāi)挖應(yīng)力場(chǎng)和煤層回采應(yīng)力場(chǎng)的耦合應(yīng)力計(jì)算模型，對(duì)受工作面回采頻繁擾動(dòng)影響的巷道大變形問(wèn)題進(jìn)行了研究，認(rèn)為反復(fù)擾動(dòng)后圍巖力學(xué)強(qiáng)度降低，致使巷道圍巖由彈塑性變形過(guò)渡到松動(dòng)變形是造成支護(hù)整體失效或巷道大變形關(guān)鍵原因。王炯等[13]分析了德通煤礦采動(dòng)影響巷道破壞現(xiàn)象及圍巖應(yīng)力演化規(guī)律，提出了采動(dòng)巷道協(xié)同卸壓圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)。張宏偉等[14]分析了神新公司寬溝煤礦工作面超前垂直應(yīng)力升高影響范圍和巷道塑性區(qū)分布，提出了優(yōu)化支護(hù)方案解決了該礦特厚煤層綜放工作面回采巷道支護(hù)難題。徐佑林等[15]分析了仲恒煤礦“三軟”煤層115-101回風(fēng)巷變形破壞原因，認(rèn)為上方工作面強(qiáng)烈采動(dòng)影響是關(guān)鍵因素，并提出了“卸-轉(zhuǎn)-固”圍巖控制技術(shù)。陳曉祥等[16]研究了高平七一煤業(yè)9104工作面運(yùn)輸巷迎采對(duì)掘期間巷道圍巖的變形規(guī)律、煤柱尺寸及相應(yīng)支護(hù)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)臨近回采工作面對(duì)掘進(jìn)工作面影響最大的階段是相遇前方20m至后方100m。張艷麗等[17]研究了重復(fù)采動(dòng)條件下急傾斜煤層回采巷道變形破壞特征，發(fā)現(xiàn)該條件下巷道圍巖變形破壞具有非對(duì)稱特點(diǎn)，并提出了針對(duì)性的支護(hù)方式。這些成果從不同層面闡述了采動(dòng)巷道圍巖變形及控制技術(shù)。

云南省地處我國(guó)西南邊陲，是我國(guó)重要的煤炭生產(chǎn)區(qū)域。云南省鎮(zhèn)雄礦區(qū)北部井田主采C5煤層，煤田范圍大，煤層底板松軟，頂板軟弱破碎，巷道圍巖變形嚴(yán)重，經(jīng)常返修，尤其是受到采動(dòng)影響后，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)支護(hù)體失效的情況，存在較大的冒頂隱患，嚴(yán)重影響了綜采工作面的快速推進(jìn)，制約了礦井的安全高效開(kāi)采。

以云南東源鎮(zhèn)雄煤業(yè)有限公司長(zhǎng)嶺一號(hào)煤礦為工程背景，針對(duì)152106工作面軌道巷受到采動(dòng)影響變形嚴(yán)重的問(wèn)題，采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、數(shù)值模擬等研究方法，分析采動(dòng)巷道圍巖變形特征及塑性區(qū)演化規(guī)律，并提出針對(duì)性的圍巖控制方案，為類似條件下的巷道支護(hù)提供借鑒。

1 工程背景

云南東源鎮(zhèn)雄煤業(yè)有限公司長(zhǎng)嶺一號(hào)煤礦是云南煤炭產(chǎn)業(yè)集團(tuán)主力礦井，位于地處云、貴、川三省交界處的鎮(zhèn)雄縣城東北部，行政區(qū)劃隸屬于鎮(zhèn)雄縣塘房鎮(zhèn)管轄。礦井始建于2005年，2011年投產(chǎn)驗(yàn)收，核定生產(chǎn)能力60萬(wàn)t/a，采用平硐開(kāi)拓，布置有主平硐、副平硐和回風(fēng)井。

152106工作面位于一水平101采區(qū)，其北部為152107待掘工作面，南部為152105采空區(qū)，東為軌道上山，西部為邊界煤柱，工作面地面標(biāo)高為+1609～2025m，井下標(biāo)高+1600～1618m。工作面走向長(zhǎng)1222m，傾向長(zhǎng)200m，采用單一走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化采煤法，全部垮落法管理頂板。152106工作面有三條平行巷道，分別是軌道巷、運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷，其中軌道巷與運(yùn)輸巷間距8m，運(yùn)輸巷與回風(fēng)巷間距200m，切眼與三巷垂直布置。在回采過(guò)程中，軌道巷主要用作進(jìn)風(fēng)、運(yùn)送材料、鋪設(shè)管線設(shè)備、排水以及行人，并作為152107工作面的回風(fēng)巷；運(yùn)輸巷主要用作運(yùn)煤及瓦斯抽放；回風(fēng)巷主要用作回風(fēng)和行人、瓦斯抽放、排水。在軌道巷與運(yùn)輸巷之間，每隔100m左右布置一個(gè)聯(lián)絡(luò)巷，采用錨網(wǎng)、錨索支護(hù)，主要用作通風(fēng)、避難硐室及行人。工作面平面布置如圖1所示。

圖1 工作面布置

軌道巷斷面凈寬3.6m、凈高2.8m，頂板采用鋼筋樹(shù)脂錨桿、錨索、錨梁、皮帶(鋼繩)加鐵絲網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)，巷道幫部采用管縫錨桿、玻璃錨桿加鐵絲網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)。巷道支護(hù)斷面圖如圖2所示。

圖2 軌道巷支護(hù)斷面(mm)

152106工作面開(kāi)采C5b煤層，煤層呈近水平產(chǎn)狀，煤層傾角2°～6°，煤層比較穩(wěn)定、厚度變化不大，煤層平均厚度為2.1m，主要由亮型煤、半亮型煤、暗淡型煤組成，堅(jiān)固性系數(shù)2～3。C5b煤層頂板巖石層理較好，其直接頂為2.8m厚淺灰色粉砂質(zhì)泥巖，其上為0.5m厚的C5a煤層，C5a煤層主要由半亮型煤、暗淡型煤組成，煤層不穩(wěn)定。直接底為1.7m厚淺灰色的泥質(zhì)粉砂巖，下為0.8m厚的C6a煤層，中部由亮型煤組成，頂部由半亮型煤組成，無(wú)夾矸?；镜诪楹穸?m層狀淺灰色粉砂質(zhì)泥巖。煤層頂?shù)装寰C合柱狀如圖3所示。

圖3 煤層頂?shù)装鍘r層綜合柱狀

2 采動(dòng)巷道圍巖非均勻變形特征

152106工作面軌道巷與運(yùn)輸巷之間留設(shè)有寬度為8m的煤柱，在152106工作面回采過(guò)程中，該巷道得以保留并作為下一工作面的回風(fēng)巷，因此，軌道巷受到采動(dòng)應(yīng)力作用時(shí)間更長(zhǎng)，其變形也更為嚴(yán)重，尤其是在工作面后方需要頻繁進(jìn)行擴(kuò)幫、臥底才能滿足生產(chǎn)需要。軌道巷原巖應(yīng)力和采動(dòng)應(yīng)力作用下，其圍巖破壞區(qū)域多為不規(guī)則形態(tài)，圍巖破壞深度、產(chǎn)生的變形量均不相同，表現(xiàn)出非均勻變形特征，具體主要表現(xiàn)為：

蘇伊士船舶經(jīng)海盜高發(fā)區(qū)，海盜險(xiǎn)通常為0.125～0.2%船舶造價(jià)[3]，取0.15%。海盜高發(fā)區(qū)雇傭武裝保安，據(jù)航運(yùn)公司統(tǒng)計(jì)，護(hù)航7 d，武裝保安費(fèi)平均3萬(wàn)美元。

1)兩幫收斂嚴(yán)重。在工作面前方，距離工作面越近收斂量越大，并且工作面后方收斂量大于前方，煤柱側(cè)變形量大于煤壁側(cè)，兩幫上部變形量大于下部，煤柱側(cè)表現(xiàn)尤為顯著，在工作面后方測(cè)得巷道最小寬度2.33m(設(shè)計(jì)凈寬3.6m)。

2)頂板整體下沉量大，底鼓劇烈。頂板呈整體下沉狀態(tài)，噴漿體有開(kāi)裂情況，存在較大的冒頂隱患。工作面后方巷道底鼓劇烈，最大底鼓量達(dá)700mm，并且煤柱側(cè)底鼓量大于煤壁側(cè)。

3)大量錨桿、索失效破壞。位于工作面后方的巷道圍巖產(chǎn)生強(qiáng)烈變形的同時(shí)還伴隨有巨大的膨脹壓力，部分錨桿、錨索因無(wú)法抗拒和適應(yīng)圍巖的變形而失效破壞。同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)存在部分錨桿托盤、錨索托梁沒(méi)有緊貼巖面，錨桿、錨索的間排距不一致等施工質(zhì)量方面的問(wèn)題。

3 采動(dòng)巷道圍巖非均勻變形監(jiān)測(cè)

3.1 測(cè)點(diǎn)布置

監(jiān)測(cè)軌道巷圍巖變形，有助于進(jìn)一步明晰巷道圍巖變形特征，判斷錨桿、錨索支護(hù)效果，并為錨桿(索)支護(hù)參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

在152106工作面回采過(guò)程中，軌道巷需要頻繁進(jìn)行擴(kuò)幫、挖底等，表面位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集困難，因此利用多點(diǎn)位移計(jì)分別監(jiān)測(cè)軌道巷頂板、兩幫深部位移。由于頂板錨網(wǎng)索支護(hù)中錨桿長(zhǎng)度為2.2m，錨索長(zhǎng)度為6.3m，頂板多點(diǎn)位移計(jì)基點(diǎn)深度分別取2m和6m，幫部多點(diǎn)位移計(jì)基點(diǎn)深度分別取1m、2m、3m和4m。

3.2 觀測(cè)結(jié)果分析

軌道巷頂板及兩幫位移，如圖4、圖5所示。由圖4可知，在工作面推進(jìn)至該測(cè)站前，頂板深部和淺部位移幾乎沒(méi)有變化，當(dāng)工作面推過(guò)該測(cè)點(diǎn)，即測(cè)點(diǎn)位于工作面后方時(shí)，隨著工作面的推進(jìn)，由于頂板出現(xiàn)離層，并且其位置大于2m，造成深部位移急劇增大，而淺部位移則變化不大。當(dāng)工作面推進(jìn)156m，即測(cè)點(diǎn)位于工作面后方51m時(shí)，深部位移達(dá)到最大值并不再增加。

圖4 頂板位移曲線

圖5 兩幫位移曲線

由圖5可知，當(dāng)工作面距離測(cè)點(diǎn)約20m時(shí)，兩幫不同深度的圍巖位移略有增大，并且煤柱幫位移量大于煤壁幫。由于受到煤柱幫圍巖碎漲作用影響，造成深度為2m、3m和4m處的位移略大于1m處的位移，當(dāng)工作面推過(guò)該測(cè)點(diǎn)，即測(cè)點(diǎn)位于工作面后方時(shí)，深度為2m、3m和4m處的位移急劇增大，在工作面推進(jìn)131m，即測(cè)點(diǎn)位于工作面后方26m時(shí)，深度為2m、3m和4m處的位移幾乎不再變化，而1m處的位移隨著工作面推進(jìn)略有增加。

煤壁幫深度為4m處的位移量略大，當(dāng)工作面推進(jìn)105m，即測(cè)點(diǎn)位于工作面后方時(shí)，煤壁幫不同深度的位移均逐漸增大，深度為3m和4m處的位移增加的速率明顯大于深度為1m和2m處的位移，并且隨著工作面的推進(jìn)不同深度的位移均持續(xù)增大。

4 采動(dòng)巷道圍巖非均勻變形數(shù)值模擬分析

4.1 模型建立

采用數(shù)值模擬方法分析采動(dòng)影響下，軌道巷圍巖應(yīng)力特征。以長(zhǎng)嶺一號(hào)煤礦為工程背景，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立尺寸長(zhǎng)×寬×高為400m×400m×150m的數(shù)值計(jì)算模型。煤層埋深取375m，豎直方向施加載荷為5MPa，側(cè)壓系數(shù)取1.3，并施加0.025MPa的應(yīng)力梯度，采用Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，巷道開(kāi)挖部分采用零單元模擬。本數(shù)值計(jì)算模型共劃分1280000個(gè)網(wǎng)格，各巖層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)

模擬152106工作面開(kāi)挖時(shí)，沿y方向前后兩側(cè)各留寬度為100m煤柱，沿x方向在右側(cè)保留寬度為100m的煤柱。在152106工作面開(kāi)挖150m后，沿軌道巷軸向提取工作面前、后各100m范圍內(nèi)的應(yīng)力、最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力，并計(jì)算最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力的比值。

大量研究成果[18-22]表明，巷道圍巖變形破壞是圍巖塑性區(qū)形成與發(fā)展的結(jié)果，塑性區(qū)的形態(tài)、范圍決定了巷道破壞的模式和程度。為分析采動(dòng)影響下巷道圍巖塑性區(qū)形態(tài)特征，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立尺寸長(zhǎng)×寬×厚為60m×60m×1m的數(shù)值計(jì)算模型。模型底部為固定邊界，頂部和四周施加工作面開(kāi)挖結(jié)束后，沿巷道軸向提取的應(yīng)力。

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

152106工作面開(kāi)挖后，軌道巷軸向主應(yīng)力及不同位置處塑性區(qū)特征，如圖6所示。由圖6可知，隨著到工作面距離的增加，工作面前方最大主應(yīng)力逐漸減小，在距離工作面100m處減小至8.06MPa，工作面后方最大主應(yīng)力則逐漸增大，達(dá)到最大值15.38MPa后，略有減小，工作面后方100m處最大主應(yīng)力為15.10MPa。整體上，工作面前后方各100m范圍內(nèi)最小主應(yīng)力變化幅度較小，工作面后方4m處最小主應(yīng)力最小，為4.70MPa，然后隨著到工作面距離的增加，工作面前方最小主應(yīng)力緩慢增大，在距離為100m處達(dá)到5.78MPa，工作面后方最小主應(yīng)力約為5.47MPa。由于最小主應(yīng)力變化幅度較小，主應(yīng)力比值變化趨勢(shì)接近于最大主應(yīng)力，即隨著到工作面距離的增加，工作面前方主應(yīng)力比值逐漸減小，在距離工作面100m處主應(yīng)力比值為1.40；工作面后方主應(yīng)力比值緩慢增大到2.85后，略有減小，并且工作面后方主應(yīng)力比值均大于2.5，而工作面前方主應(yīng)力比值均小于2.5。

圖6 采動(dòng)巷道圍巖應(yīng)力及塑性區(qū)特征

在采動(dòng)影響下，工作面前方軌道巷圍巖塑性區(qū)形態(tài)基本一致，近似呈橢圓形分布，頂板和底板塑性區(qū)最大深度分別為1.2m和1.7m，幫部塑性區(qū)最大深度約2m。在工作面后方，隨著到工作面距離的增加，軌道巷圍巖塑性區(qū)深度逐漸增大，但其形態(tài)特征仍近似呈橢圓形分布。幫部塑性區(qū)深度從距離為4m處的6m擴(kuò)大至24m處的8m；距離為4m處頂板塑性區(qū)深度為1.9m，而在距離為18m和24m處塑性區(qū)深度分別為2.6m和3.0m，已經(jīng)超過(guò)了錨桿錨固范圍，這也是造成頂板產(chǎn)生離層的主要原因。

對(duì)比可知，在采動(dòng)影響下，工作面前方塑性區(qū)范圍小于工作面后方。結(jié)合前文巷道圍巖位移監(jiān)測(cè)結(jié)果，工作面前方圍巖位移量小于后方，可以得出，巷道圍巖位移量與巷道圍巖塑性區(qū)范圍具有一致性。

5 采動(dòng)巷道非均勻變形控制技術(shù)

為了控制采動(dòng)巷道非均勻變形，對(duì)軌道巷進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，具體方式如下：

1)頂板補(bǔ)打錨索。錨索規(guī)格為?17.8mm×6300mm，托梁為長(zhǎng)度2500mm的11號(hào)礦工鋼，間排距為1800mm×1500mm，每排2根錨索，每根錨索使用6卷樹(shù)脂藥卷。

2)煤柱幫補(bǔ)打?qū)Υ╁^索。錨索直徑為17.8mm，長(zhǎng)度根據(jù)變形情況進(jìn)行調(diào)整，托梁為長(zhǎng)度2500mm的11號(hào)礦工鋼，還可以與12mm×400mm×400mm鋼板配合使用。煤壁幫補(bǔ)打玻璃錨桿，玻璃錨桿規(guī)格為?16mm×1800mm，每根錨桿使用2卷樹(shù)脂藥卷。

3)打設(shè)單體液壓支柱。在確保軌道滿足正常使用的前提下，順巷道方向在靠近煤柱一側(cè)打設(shè)1排單體液壓支柱，間距為1000mm，頂梁采用4000mm長(zhǎng)π型鋼梁，底梁為2根11號(hào)礦工鋼，底梁兩端用U型卡卡牢，π型鋼梁、礦工鋼底梁順巷道方向布置；每根單體液壓支柱底部配大鐵鞋，柱頂配防倒鏈。單體液壓支柱的活柱伸縮量不得低于400mm，初撐力不得小于90kN。打設(shè)單體液壓支柱前應(yīng)將底部虛煤清理干凈，不得打設(shè)在虛煤上。單體液壓支柱打設(shè)必須成排成行，柱閥朝向一致。采動(dòng)巷道非均勻變形補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案如圖7所示。

圖7 采動(dòng)巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案(mm)

上述補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案在軌道巷應(yīng)用后，觀測(cè)152106工作面回采期間，觀測(cè)軌道巷的兩幫和頂板下沉情況。監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖8所示，礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，在觀測(cè)期內(nèi)兩幫移近量和頂板下沉量分別為390mm和285mm，尤其是煤柱幫變形減少了65%，巷道底鼓量260mm左右，頂板沒(méi)有出現(xiàn)明顯的下沉和離層顯現(xiàn)，圍巖變形得到有效控制。

圖8 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

6 結(jié) 論

1)在采動(dòng)影響下，作為保留巷道的152106工作面軌道巷圍巖變形呈非均勻特征。工作面前方巷道圍巖變形量大于工作面后方，巷道煤柱側(cè)變形量大于煤壁側(cè)，頂板出現(xiàn)離層并且靠近煤柱側(cè)底鼓量更大，局部可達(dá)400mm。

2)工作面前方最大主應(yīng)力、主應(yīng)力比值、塑性區(qū)范圍均小于工作面后方，塑性區(qū)呈橢圓形分布，巷道圍巖位移量與塑性區(qū)范圍具有一致性。

3)采用頂板補(bǔ)打錨索、煤柱對(duì)穿錨索及打設(shè)單體液壓支柱等補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施后，在152106工作面回采期間軌道巷圍巖變形顯著減小，取得了較好的控制效果。