大陽煤礦3405 工作面沿空留巷圍巖變形機理研究

安 雷

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司大陽煤礦分公司，山西 晉城 048000）

隨著我國能源需求的日益增大，煤炭資源開采強度逐步增大并呈現(xiàn)日趨匱乏的狀態(tài)[1-3]。為了提高煤炭資源采出率，沿空留巷技術(shù)受到越來越多礦井的青睞[4-5]。沿空留巷效果受地質(zhì)條件影響較大，不同礦井需要具體問題具體分析[6-7]。本文以大陽煤礦3405 工作面沿空留巷為工程背景，分析回采巷道在留巷過程中的應(yīng)力應(yīng)變演化規(guī)律，并針對性提出巷道支護方案，保證巷道回采過程中安全性。

1 工程概況

大陽煤礦現(xiàn)開采3 號煤，煤層厚度為5.1～6.4 m，平均5.7 m。為了最大限度采出優(yōu)質(zhì)煤，擬采用沿空留巷技術(shù)，并在3405 工作面軌道順槽（寬×高=5.8 m×3.2 m）進行試驗。工作面布置情況如圖1。根據(jù)現(xiàn)場鉆孔柱狀結(jié)果，直接頂為4.0 m 的泥巖，直接底為7.8 m 的粉砂巖，整體上頂板巖性較松軟，底板巖性較好。

圖1 工作面布置情況（m）

在未留巷之前，頂板采用Φ20 mm×2200 mm錨桿，間排距900 mm×900 mm；頂錨索Φ21.8 mm×8300 mm，間排距1800 mm×900 mm，靠近工作面?zhèn)葍筛^索采用長度2400 mm 的鋼帶連接；兩幫采用Φ20 mm×2200 mm 錨桿，間排距850 mm×900 mm。

2 沿空留巷變形機理研究

2.1 模型建立

基于現(xiàn)場情況，采用FLAC3D建立數(shù)值模型，模型長、寬、高為185.4 m×200 m×47.4 m，巷道寬、高為5.8 m×3.2 m，巷旁充填體寬度為1.4 m，共計464 100 個單元，483 184 個節(jié)點。固定模型底板和四周位移，在頂板施加10 MPa 垂直應(yīng)力。對采空區(qū)采用雙屈服模型，充填體采用應(yīng)變軟化模型，其他巖層采用摩爾-庫倫模型。

2.2 巷道圍巖應(yīng)力分布

分別對工作面前方40 m 至工作面后方90 m 范圍進行模擬分析，留巷過程中巷道圍巖應(yīng)力分布情況如圖2。

圖2 留巷過程中巷道圍巖應(yīng)力分布云圖

3405 工作面軌道順槽在留巷過程中應(yīng)力分布情況可分為4 個階段：

1）工作面前方20 m 以上。該部分受到采動影響較小，3405 軌道順槽在工作面?zhèn)扰c實體煤側(cè)的應(yīng)力分布情況相似。在工作面前方40 m 位置處，3405 軌道順槽兩側(cè)應(yīng)力峰值均為15.8 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)1.58。

2）工作面前方0～20 m。該部分受到超前支承壓力影響，圍巖應(yīng)力整體偏高，并且呈現(xiàn)工作面?zhèn)却怪睉?yīng)力明顯大于實體煤側(cè)的非對稱分布情況。在工作面前方7 m 處，應(yīng)力達到峰值點22.1 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)2.21。

3）工作面后方0～70 m。隨著混凝土墻體的不斷砌筑，充填體與采空區(qū)巖體之間逐步趨于穩(wěn)定。實體煤側(cè)應(yīng)力峰值在工作面后方10 m 處為16.6 MPa，工作面后方30 m 處為18.8 MPa，工作面后方50 m 處為21.6 MPa，70 m 后24.9 MPa，并且應(yīng)力峰值由表面向深部轉(zhuǎn)移。

4）工作面后方70 m以上。該部分已經(jīng)基本穩(wěn)定，應(yīng)力分布云圖形狀與應(yīng)力值基本不再變化。

2.3 巷道圍巖塑性區(qū)分布

留巷過程中巷道圍巖塑性區(qū)分布情況如圖3。

圖3 不同位置處圍巖塑性區(qū)分布

3405 工作面軌道順槽在留巷過程中塑性區(qū)分布情況具有以下特點：

1）工作面前方20 m 以上。3405 軌道順槽兩側(cè)破壞深度為2 m，頂板破壞深度約為3 m，破壞形式為剪切破壞。

2）工作面前方0～20 m。受到采動應(yīng)力影響，3405 軌道順槽兩側(cè)呈現(xiàn)非對稱分布。實體煤側(cè)破壞深度依舊為2.0 m，工作面?zhèn)绕茐纳疃燃s為2.7 m，增加了35%。

3）工作面后方0～70 m。頂板破壞面積逐漸增大，在工作面后方30 m 處，巷道右上角尖角處發(fā)生剪切破壞并將頂板和幫部相連通；在工作面后方50 m處，直接頂泥巖與細砂巖交界處出現(xiàn)離層現(xiàn)象，破壞范圍從交界面向下延伸并與3405 軌道順槽頂板上方破壞區(qū)溝通，導致破壞深度大幅增加。

4）工作面后方70 m 以上。頂板破壞深度基本穩(wěn)定，實煤體幫受到頂板強烈剪切作用影響，破壞深度由2.8 m 增加至3.5 m。

2.4 巷道圍巖變形特征

分別在3405 工作面軌道順槽頂板、充填體幫、實煤體幫和底板中部布置測點，監(jiān)測巷道變形情況如圖4。

圖4 巷道變形情況

由圖4 可知，巷道四周變形情況表現(xiàn)為：頂板＞充填體幫＞實煤體幫＞底板。在工作面后方，隨著逐步遠離工作面，巷道變形量逐步增加但變形速率逐步遞減，并在工作面后方100 m 處達到最大，頂板、充填體幫、實煤體幫、底板的最大變形量分別為350 mm、257 mm、181 mm、78 mm。在工作面前方，工作面超前擾動影響范圍約30 m，前方30 m 以上段圍巖變形基本不再變化。

3 巷道支護方案

采用沿空留巷技術(shù)后，3405 工作面軌道順槽將受到2 次采動應(yīng)力影響，對巷道的變形量要求也更高。因此，需要對3405 工作面軌道順槽進行補強支護，以滿足3405 與3406 工作面的安全回采。補強支護設(shè)計如圖5 所示，具體的補強要求如下。

圖5 巷道補強支護設(shè)計（mm）

1）頂板每排補打2 根錨索，補打的錨索長度比原方案的長2000 mm，規(guī)格為Φ21.8 mm×10 300 mm，間距1800 mm，排距不變。

2）頂板在原有的金屬網(wǎng)基礎(chǔ)上再鋪設(shè)一層金屬網(wǎng)，實現(xiàn)頂板雙層金屬網(wǎng)支護。

3）在頂板靠近工作面?zhèn)妊a打一根長度2400 mm 的鋼帶，鋼帶兩端各焊接一根廢棄錨桿，用來增強穩(wěn)定性。

4）巷旁采用柔模混凝土墻進行沿空砌筑，柔模墻寬度為1.4 m，由柔模布、混凝土、對拉錨桿等材料組成。混凝土采用C40 規(guī)格，柔模帶規(guī)格為4 m×3.6 m×1.5 m，對拉錨桿尺寸為Φ22 mm×1550 mm，材質(zhì)為500 號的高強螺紋鋼。

為了監(jiān)測巷道支護效果，在留巷期間對3405工作面軌道順槽安裝錨桿測力計、錨索測力計、頂板離層儀等儀器，進行礦壓監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果顯示：3405 工作面回采后，工作面后方200 m 處圍巖基本穩(wěn)定，穩(wěn)定后頂板最大下沉量控制在250 mm 以下，充填體幫與實體煤幫變形量穩(wěn)定在150 mm 以下，錨桿受力90～100 kN，錨索受力220～260 kN，能夠滿足3405 工作面以及3406 工作面的安全生產(chǎn)。

4 結(jié)論

以大陽煤礦3405 工作面為工程背景，結(jié)合FLAC3D軟件研究了3405 工作面運輸順槽在沿空留巷過程中的變形破壞特征，主要結(jié)論如下：

1）工作面超前支承應(yīng)力影響范圍約20 m，應(yīng)力峰值點22.1 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)2.21，位于工作面前方7 m 處。

2）巷道以剪切破壞為主，表面淺部拉剪混合破壞，工作面后方穩(wěn)定后實體煤幫破壞深度3.5 m。

3）針對沿空留巷提出了長錨索+雙層金屬網(wǎng)+鋼帶為主的補強支護方案，穩(wěn)定后錨桿索受力富余量大，巷道變形量較小，能夠滿足下工作面回采要求。