動壓巷道圍巖變形規(guī)律及控制技術

蔡福洋

(同煤集團， 山西 大同 037000)

1 前言

隨著煤炭資源的逐漸枯竭和礦井機械化開采水平的提高，相鄰工作面回采完后采空區(qū)還未完全穩(wěn)定，就進行下工作面回采巷道掘進[1-4]。在該條件下巷道掘進受采空區(qū)動壓影響圍巖變形量大，常用的錨網索支護已經不能保證巷道的穩(wěn)定性[5-6]。本文以同忻煤礦動壓巷道為工程背景，對動壓巷道圍巖變形規(guī)律進行分析，根據(jù)圍巖變形特征研究合理的支護形式，提高動壓巷道穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)巷道圍巖大變形而導致的安全事故。

2 工作面概況

同忻煤礦8309工作面位于一水平三盤區(qū)，工作面走向長度為2 770m，傾斜長度為218m。工作面主采煤層為3- 5號煤層，煤層平均厚度15.5m，平均傾角4°。工作面臨近已回采完畢的8307工作面，工作面之間留設寬度38m煤柱。5309巷道為8309工作面回風巷，該巷道受本回采工作面超前支承壓力及鄰近8307工作面采空區(qū)側向壓力影響，巷道圍巖出現(xiàn)較大的變形破壞。根據(jù)礦井變形量監(jiān)測可知，頂板下沉量為0.4～0.8m、底鼓量為0.2～0.7m、兩幫移近量為0.3～0.7m。

3 動壓巷道圍巖變形規(guī)律數(shù)值模擬

3.1 應力變化規(guī)律

采用FLAC3D數(shù)值模擬8307工作面采動對5309巷圍巖變形的影響，建立200m×200m×100m模型。根據(jù)5309巷地質條件，確定模型各材料參數(shù)，力學參數(shù)見表1。垂直方向施加應力5.8MPa，水平測壓系數(shù)取值為0.8。

表1 模型各巖層力學參數(shù)

沿著5309巷走向布置測點，得到巷道垂直應力變化如圖1所示。

-為巷道在工作面前方；+為巷道在工作面后方圖1 5309巷垂直應力分布圖

由圖1可知，-100～-30m區(qū)域，5309巷垂直應力穩(wěn)定在11MPa左右，此時巷道處于穩(wěn)定狀態(tài)，基本不受8307工作面回采動壓影響。當5309巷端頭距8307工作面-30m位置時，巷道垂直應力突然升高，巷道開始受8307工作面動壓影響。-30m～80m區(qū)域，5309巷受垂直應力呈現(xiàn)先增大后減小的區(qū)域，此區(qū)域巷道受動壓影響嚴重，圍巖變形量大。其中，60m處為5309巷垂直應力峰值位置。80m后，巷道應力逐漸趨于平穩(wěn)。

將5309巷工作面距8307工作面-30m和60m兩處位置應力進行分析比較，得到巷道應力變化規(guī)律。其中，-30m和60m兩位置應力分布如圖2所示。

圖2 -30m與60m位置垂直應力分布云圖

由圖2可知，5309巷在8307工作面后方60m處垂直應力比在前方30m處更大，由此可知，巷道應力集中主要發(fā)生在工作面后方。同時，5309巷受相鄰8307工作面采動影響，出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，頂?shù)装鍛Τ省肮靶巍狈植肌?/p>

3.2 圍巖變形規(guī)律

采用FLAC3D模式時在5309巷頂?shù)装搴蛢蓭驮O置監(jiān)測點，監(jiān)測相鄰8307工作面動壓對5309巷圍巖變形量影響，得到巷道圍巖變形量如圖3所示。

圖3 5309巷圍巖變形量

由圖3可知，5309巷圍巖變形量從-30m處開始增加，表明該位置巷道受相鄰8307工作面采動影響，-30～15m區(qū)域巷道圍巖變形量基本增加了1倍。5309巷處于8307工作面后方時，巷道圍巖變形量更大。0～60m區(qū)域5309巷道圍巖變形量大、變形速率快，占總變形量70%～80%，對5309巷圍巖總變形取決定性作用。60～80m區(qū)域，巷道圍巖變形量逐漸放緩，80m后趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 動壓巷道圍巖控制技術

根據(jù)數(shù)值模擬結果可知，5309巷圍巖變形破壞主要集中在-30～80m區(qū)域，該區(qū)域巷道受動壓影響圍巖變形量大，應當加強支護，提高巷道穩(wěn)定性。其余區(qū)域采用一般的支護技術措施即可。

4.1 -30～80m區(qū)域

1)錨網索支護

-30～80m區(qū)域5309巷圍巖變形量大，采用錨網索對巷道加強支護，提高巷道穩(wěn)定性，巷道頂板和兩幫均采用高強度大延伸率錨桿，錨網索支護參數(shù)見表2。

表2 -30～80m區(qū)域錨網索支護參數(shù)

2)卸壓槽卸壓

5309巷開挖卸壓槽可以使得底板的應力向卸壓槽深度轉移，從而避免巷道底板形成應力集中區(qū)。沿著工作面兩巷走向開挖寬0.5m，深1.5m的卸壓槽，巷道掘進完畢后，需要采用矸石等及時對卸壓槽進行回填，避免影響行人、運輸貨物的安全。

4.2 一般區(qū)域

-30～80m是5309巷圍巖變形量最大區(qū)域，占總變形量的70%～80%，而5309巷其他區(qū)域受動壓影響小，雖然巷道圍巖也出現(xiàn)了一定的變形，但變形量小。一般區(qū)域巷道同樣采用錨網索支護，保證巷道穩(wěn)定，錨網索參數(shù)見表3。

表3 一般區(qū)域錨網索支護參數(shù)

5309巷錨桿之間采用φ14mm的圓鋼焊制的鋼筋梯子梁連接而成，進一步提高了巷道頂板的支護強度。

為了提高5309巷掘進穩(wěn)定性，在巷道超前8307工作面30m處暫停掘進，待工作面超前巷道80m后繼續(xù)恢復掘進，以此減小巷道圍巖變形量。

5 支護效果檢驗

5309巷道采用錨網索支護、開挖卸壓槽卸壓后，通過設置監(jiān)測點監(jiān)測巷道圍巖變形量，驗證巷道支護效果。5309巷圍巖變形量如圖4所示。

圖4 5309巷圍巖變形量

由圖4可知，5309巷道采用錨網索支護，巷道圍巖變形量呈現(xiàn)先增加后逐漸穩(wěn)定的趨勢。0～20d巷道頂板和兩幫變形速率快、變形量大，頂板最大下沉量為46mm，最大移動速率為2.6mm/d；兩幫最大移近量圍77mm，最大移動速率為4.5mm/d。20d后巷道圍巖變形放緩并逐漸趨于穩(wěn)定。巷道最大頂板下沉量為52mm，兩幫最大移近量為93mm。由此可知，支護取得了良好效果，有效減小了5309巷圍巖變形量。

6 結論

(1)以5309動壓巷道為研究對象，采用FLAC3D模擬8307工作面采動對5309巷圍巖變形的影響。通過分析巷道垂直應力和圍巖變形，得到5309巷圍巖變形破壞主要集中在超前工作面30m和滯后工作面80m范圍內，占總變形量70%～80%。

(2)根據(jù)5309巷圍巖變形規(guī)律，提出分段采取支護措施。在超前工作面30m和滯后工作面80m范圍，巷道采用錨網索支護、開挖卸壓槽卸壓；其他一般區(qū)域，巷道采用錨網索支護，并分別設計了支護參數(shù)。

(3)通過在5309巷設置監(jiān)測點，監(jiān)測巷道圍巖變形量驗證支護效果。根據(jù)監(jiān)測結果可知，巷道最大頂板下沉量為52mm，兩幫最大移近量為93mm，支護取得了良好效果。