二次動壓巷道圍巖變形與合理煤柱寬度留設研究

王 建，楊長瑞

（1.中煤科工集團重慶研究院有限公司；2.正龍公司城郊煤礦,重慶 渝北 404100）

在煤礦巷道中，70%～80%的巷道受到采動影響[1]，表現(xiàn)形式復雜多樣，如巷道強烈底鼓、圍巖變形難以控制，在多次采動形成的動壓影響下，給巷道的維護及后期工作面準備帶來了困難，逐漸成為制約煤礦集約化生產的瓶頸。

1 工程地質概況

城南煤礦一采區(qū)輔助采區(qū)東部為F2101工作面（已采）；西部為F2105綜采工作面（已采）；南部為T2209工作面（已采）；北部為F2103工作面（待采），見圖1。

采區(qū)膠帶順槽、軌道順槽均沿二2煤層掘進，煤層平均厚度為3m，以亮煤為主。煤層頂?shù)装鍘r性為：局部有偽頂，隨采隨冒；直接頂為細粒砂巖，平均厚度3.29m，灰白色，以石英為主，長石次之。老頂為砂質泥巖，灰黑色，砂粒分布不均勻，中間夾雜粉砂巖條帶。直接底為砂質泥巖，平均厚度0.37m，砂質分布均勻。老底由細粒砂巖、粉砂巖組成，平均厚度為13.65m，主要成分為石英，長石次之，斜層理發(fā)育。

采區(qū)巷道在掘進過程中并未出現(xiàn)異常礦壓顯現(xiàn)，頂?shù)装寮皟蓭褪諗孔冃瘟吭?00mm左右，也無底鼓顯現(xiàn)。隨著F2105綜采工作面的回采結束，采區(qū)巷道兩幫變形量均較大，底鼓量大，幫部錨桿出現(xiàn)壓脫、網斷裂、頂板加固錨索壓脫等現(xiàn)象，且后期加固用的絞架發(fā)生嚴重變形。

2 采區(qū)巷道現(xiàn)場監(jiān)測

針對一采區(qū)輔助采區(qū)巷道在掘進及采區(qū)工作面回采過程中出現(xiàn)的壓力大、巷道維護困難等一系列情況。為了摸清采區(qū)巷道的圍巖變形特征，并保證回采巷道的正常維護及后期使用制定切實可行的方案，對采區(qū)巷道圍巖變形情況進行綜合監(jiān)測[2,3]。

2.1 監(jiān)測內容

在采區(qū)巷道內分別布置測站，監(jiān)測巷道頂板離層情況、兩幫及頂?shù)装迨諗孔冃瘟浚崟r記錄礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象。

2.2 監(jiān)測結果分析

1）一采區(qū)輔助采區(qū)軌道順槽觀測結果

各測站兩幫及頂?shù)装謇塾嬍諗孔冃瘟考笆諗克俣热鐖D2所示。從圖2可以看出：

（1）Ⅱ#測站處的兩幫累計收斂量最大，為1750mm；Ⅲ#測站次之，為1300mm；Ⅰ#測站處最小，為1000mm。Ⅲ#測站處的頂?shù)装謇塾嬍諗苛孔畲?，?90mm；Ⅱ#測站次之，為340mm；Ⅰ#測站處最小，為312mm。

（2）Ⅱ#、Ⅲ#測站處兩幫、頂?shù)装逦灰屏棵黠@大于Ⅰ#測站。由于Ⅱ#測站受F2105與F2101綜采工作面留設煤柱支承壓力疊加作用影響，導致應力集中，巷道表面位移收斂量大。Ⅲ#測站受斷層、裂隙結構面等地質構造影響，根據現(xiàn)場揭露情況，Ⅲ#測站處于斷層尖滅處，變形收斂量較Ⅰ#測站大。

（3）各測站兩幫、頂?shù)装迨諗克俣仍诰蜻M初期較穩(wěn)定，0～0.65mm/h之間。隨著F2105工作面的回采結束，各測站巷道兩幫及頂?shù)装逦灰剖諗克俣妊杆僭龃笾?4mm/d、3.6mm/d。隨后，盡管收斂速度有所減小，但仍處于不穩(wěn)定階段。說明Ⅱ#測站附近受F2101、F2105綜采工作面遺留煤柱上疊加應力的作用而使巷道變形大。

（4）相應的各個測站兩幫累計位移收斂量大于頂?shù)装宓睦塾嬑灰剖諗苛浚敯遄冃屋^小。

2）一采區(qū)輔助采區(qū)膠帶順槽觀測結果

巷道不同位置處兩幫及頂?shù)装謇塾嬍諗孔冃瘟咳鐖D3所示。

圖3 巷道各斷面處兩幫及頂?shù)装謇塾嬍諗苛壳€圖Fig.3 The curves of cumulat ive displacements in roadway sides, roof and f loor at observation stations

從圖3可以看出：兩幫位移量大于頂?shù)装逦灰屏?，在通?20m～640m范圍內，受F2105綜采工作面留設煤柱的影響，兩幫及頂?shù)装逦灰屏枯^大，分別達到了2100mm、1600mm。且仍然處于不穩(wěn)定階段。

3）頂板離層觀測

離層儀淺部基點為2.5m、深部基點為5.5m，通過觀測，深部基點與淺部基點位移值基本相同，不同值的差值很小，幾乎可以認為是誤差所致。

在觀測的頂板范圍內，上位與下位巖層沒有離層現(xiàn)象，頂板處于整體沉降狀態(tài)。

3.巷道圍巖受力破壞及未采面煤柱留設寬度模擬分析

3.1 單側工作面開采對巷道圍巖應力的影響

左側采面主要是指T2209、F2105、F2103等綜采工作面，右側采面指F2101綜采工作面，各采面與采區(qū)巷道間的水平距離對采區(qū)巷道的圍巖穩(wěn)定性有著重大的影響。運用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析了F2103工作面開采對采區(qū)巷道的影響[4]。

由表1可以明顯看出：支承應力影響顯著范圍與煤柱寬度關系不大，隨煤柱尺寸增大，各采區(qū)巷道的圍巖應力集中系數(shù)都有所減小，由1.54減小到1.12。在煤柱尺寸大于70m時，采區(qū)巷道圍巖應力略大于原巖應力，處于穩(wěn)定階段。

從采區(qū)巷道圍巖的剪切應力分布圖中分析得出，無論寬煤柱還是窄煤柱條件下，都會由于巷道圍巖剪切應力分布不平衡而導致剪切破壞變形。垂直應力均影響了兩采區(qū)巷道的圍巖變形，煤柱上疊加支承應力傳遞至巷道兩幫煤體，進而傳遞至底板，導致兩幫移近量大及底板鼓起等礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象。

表1 開采引起的巷道圍巖應力集中系數(shù)及顯著影響區(qū)范圍

綜上所述，在F2105采面回采結束前，巷道沒有明顯變形，而隨著該工作面的回采結束，采區(qū)巷道逐漸發(fā)生變形和破壞，且受F2101綜采工作面遺留煤柱支承應力的疊加影響，導致巷道兩幫煤體松軟，巷道圍巖穩(wěn)定性差，巷道不能滿足正?；夭尚枨?。

3.2 兩側工作面同采后巷道圍巖應力及變形情況

根據現(xiàn)場實際條件，右側F2101已經回采結束，與采區(qū)巷道之間煤柱間距在20～75m之間，取最小煤柱尺寸20m，左側煤柱尺寸分別取50m、80m、100m、120m進行研究，模擬結果如表2所示。

表2 不同煤柱寬度引起的巷道圍巖應力集中系數(shù)

從表2可以看出，受F2101綜采工作面窄煤柱的影響，采區(qū)巷道均表現(xiàn)出了高應力狀態(tài)，且采區(qū)巷道圍巖的應力集中系數(shù)隨著煤柱尺寸減小而增大，從1.23增大到2，即窄煤柱產生的應力集中系數(shù)是寬煤柱產生的應力集中系數(shù)的1.62倍。在左側煤柱寬度超過100 m以后，采區(qū)巷道支承應力集中系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定。

綜上所述，對于F2103未采工作面，建議保留100 m以上的煤柱，能避開采區(qū)巷道受多次采動影響，為后期回撤工作提供幫助。

4 結論和措施

1）采動影響是影響巷道穩(wěn)定的主要原因。

隨著時間的推移，超前支承壓力逐漸釋放，巷道頂板位移逐漸趨于平緩，但兩幫變形量及底板鼓起量處于不穩(wěn)定狀態(tài)，巷道兩幫。

2）對于F2103未采工作面，建議保留100m以上的煤柱，以避開采區(qū)巷道受多次采動的影響，為后期回撤工作提供幫助。

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