謝 龍， 梁 順

(1.國(guó)家能源集團(tuán) 神東煤炭集團(tuán)， 陜西 榆林 719300; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué), 江蘇 徐州 221000)

回采巷道超前支護(hù)段受掘進(jìn)及多次采動(dòng)影響，圍巖裂隙相對(duì)發(fā)育，巷道變形加劇，表現(xiàn)出較為強(qiáng)烈的礦壓顯現(xiàn)，易造成冒頂、片幫，甚至引發(fā)沖擊地壓事故。因此，對(duì)回采巷道采取及時(shí)有效的超前支護(hù)形式，能夠在很大程度上降低甚至排除事故風(fēng)險(xiǎn)，提高巷道支護(hù)質(zhì)量和巷道圍巖穩(wěn)定性，有利于井下煤炭資源安全高效開(kāi)采。

我國(guó)煤礦巷道支護(hù)經(jīng)歷了木支護(hù)、砌碹支護(hù)、金屬支架支護(hù)到錨桿支護(hù)的發(fā)展過(guò)程，總結(jié)為四類支護(hù)方法：支護(hù)法、加固法、應(yīng)力控制法、聯(lián)合支護(hù)法[1]. 史澤坡等[2]通過(guò)數(shù)值模擬分析厚煤層堅(jiān)硬頂板工作面開(kāi)采過(guò)程中超前支承壓力分布特征，發(fā)現(xiàn)其影響范圍可達(dá)40 m以上，且應(yīng)力集中程度普遍處于較高狀態(tài)。李學(xué)華等[3]從巷道圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移的角度提出底板松動(dòng)爆破加注漿、巷道底板掘巷、巷道頂板掘巷等技術(shù)，為解決高應(yīng)力巷道維護(hù)提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。王國(guó)法等[4]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的研究方法分析了采動(dòng)應(yīng)力分布規(guī)律與影響范圍，提出了“低初撐、高工阻”非等強(qiáng)耦合支護(hù)理念和超前支護(hù)設(shè)計(jì)原理。這些研究成果為巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供了有力的理論與技術(shù)支撐，尤其是超前巷道應(yīng)力分布規(guī)律及圍巖變形特征作為支護(hù)設(shè)計(jì)的落腳點(diǎn)，決定了超前支護(hù)長(zhǎng)度和支護(hù)強(qiáng)度。

針對(duì)受采動(dòng)影響的回采巷道超前支護(hù)難題，本文利用數(shù)值計(jì)算分別研究主運(yùn)順槽及輔運(yùn)順槽超前支護(hù)段圍巖應(yīng)力分布及變形特征，為把握工作面四周支承壓力分布規(guī)律及確定超前支護(hù)強(qiáng)度、支護(hù)距離提供理論參考。

1 工程概況

寸草塔二礦31204綜放工作面位于31煤二盤區(qū)，工作面走向長(zhǎng)度2 642.6 m，傾向長(zhǎng)220.8 m. 區(qū)段煤柱寬度為20 m，運(yùn)輸順槽寬6.0 m、高3.6 m，輔運(yùn)順槽寬5.4 m、高3.6 m，工作面采用一次采全高，回采長(zhǎng)度1 391.2 m，煤層厚度3.2～3.7 m，平均煤厚3.45 m. 煤層頂?shù)装鍘r性特征見(jiàn)表1. 31204工作面布置3條順槽，分別為31204主運(yùn)順槽、31204輔運(yùn)順槽、31205輔運(yùn)順槽；其中31204主運(yùn)順槽為主要運(yùn)輸巷兼做進(jìn)風(fēng)巷，31204輔運(yùn)順槽用于進(jìn)風(fēng)同時(shí)兼做輔助運(yùn)輸巷，31205輔運(yùn)順槽用作回風(fēng)同時(shí)兼做輔助運(yùn)輸巷。31204工作面巷道布置圖見(jiàn)圖1.

2 模型建立

根據(jù)寸草塔二礦31204綜放工作面地質(zhì)信息建立數(shù)值計(jì)算模型，模型尺寸長(zhǎng)412 m×寬150 m×高52.3 m，布置2條順槽，劃分兩個(gè)工作面，本工作面面長(zhǎng)220.8 m，上區(qū)段工作面面長(zhǎng)簡(jiǎn)化為100 m.

表1 煤層頂、底板巖性特征表

模型邊界條件為：模型上部施加按上覆巖層重量計(jì)算的垂直應(yīng)力，取7.1 MPa；模型底部沿垂直方向固定，左右兩邊界沿水平方向固定，煤層頂?shù)装褰⒔佑|面。采用摩爾—庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則，各巖層力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2.

數(shù)值模型計(jì)算步驟：1) 根據(jù)工作面巷道布置情況，建立數(shù)值計(jì)算模型。2) 對(duì)巖層力學(xué)參數(shù)賦值，迭代至原巖應(yīng)力平衡。3) 上區(qū)段工作面進(jìn)行回采，共推進(jìn)130 m，運(yùn)算至平衡，輸出輔運(yùn)順槽圍巖應(yīng)力云圖、位移云圖、塑性區(qū)分布圖。4) 本工作面進(jìn)行回采，推進(jìn)40 m，輸出兩順槽超前10 m、20 m、30 m、40 m的應(yīng)力云圖、位移云圖及塑性區(qū)分布圖。

圖1 31204工作面巷道布置示意圖

表2 各巖層力學(xué)參數(shù)表

3 一次采動(dòng)影響下巷道圍巖應(yīng)力分布及變形特征

1) 垂直應(yīng)力。

沿工作面前進(jìn)方向取輔運(yùn)順槽截面，記錄采空區(qū)前后一定距離內(nèi)圍巖垂直應(yīng)力分布情況，得到側(cè)向支承壓力影響范圍；記錄超前工作面一定距離內(nèi)運(yùn)輸順槽圍巖垂直應(yīng)力分布情況，得到超前支承壓力影響范圍。上區(qū)段采空區(qū)前10 m，采空區(qū)后10 m、20 m及30 m處輔運(yùn)順槽的垂直應(yīng)力分布見(jiàn)圖2.

由圖2分析可知，受上區(qū)段工作面一次回采影響，巷道圍巖應(yīng)力再次重新分布，在煤柱及本工作面?zhèn)葞驮斐刹煌潭鹊膽?yīng)力集中。隨著上區(qū)段工作面回采，煤柱煤體內(nèi)應(yīng)力集中十分明顯，特別是靠近上區(qū)段采空區(qū)一側(cè)，垂直應(yīng)力最大值達(dá)到16.5 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.82. 本工作面?zhèn)葞褪軅?cè)向支承壓力影響程度減弱，該區(qū)域內(nèi)側(cè)向支承壓力峰值為12.6 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.58，見(jiàn)圖3. 本工作面超前10 m、20 m、30 m、40 m處，運(yùn)輸順槽垂直應(yīng)力分布見(jiàn)圖4. 受本工作面超前支承壓力影響，巷道周邊圍巖應(yīng)力集中程度較大，特別是工作面?zhèn)葞透鼮槊黠@。超前工作面10 m、20 m、30 m、40 m處，本工作面?zhèn)葞蛻?yīng)力峰值分別是17.3 MPa、11.8 MPa、9.2 MPa、8.0 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)分別為2.53、1.95、1.66、1.4，峰值處分別位于距離運(yùn)輸順槽靠近煤柱幫表面3.2 m、2.2 m、2.1 m、1.9 m處。

圖2 上區(qū)段采空區(qū)前后一定距離輔運(yùn)順槽垂直應(yīng)力云圖

圖3 上區(qū)段采空區(qū)后工作面?zhèn)葍A斜方向垂直應(yīng)力分布圖

圖4 超前工作面一定距離運(yùn)輸順槽垂直應(yīng)力云圖

沿走向在本工作面煤體內(nèi)，距離運(yùn)輸順槽靠近煤柱幫部10 m處取一測(cè)線，得到本工作面?zhèn)葞统爸С袎毫Ψ植家?jiàn)圖5. 由圖5可知，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在工作面前方7 m處，峰值強(qiáng)度為21.8 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)2.7，支承壓力影響范圍大致在工作面前方35 m內(nèi)。

圖5 本工作面?zhèn)葞统爸С袎毫Ψ植紙D

2) 垂直位移。

超前工作面40 m范圍內(nèi)，運(yùn)輸順槽位移分布見(jiàn)圖6，頂板最大下沉量見(jiàn)圖7. 通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，受本工作面一次采動(dòng)影響后，運(yùn)輸順槽頂板下沉加劇，頂板最大下沉量達(dá)到140 mm. 越遠(yuǎn)離工作面，頂板最大下沉量逐漸減小。

3) 塑性區(qū)分布。

受本工作面一次采動(dòng)影響后，超前工作面40 m范圍內(nèi)運(yùn)輸順槽塑性區(qū)發(fā)育見(jiàn)圖8. 由圖8分析可知，在本工作面超前支承壓力的影響下，巷道圍巖發(fā)生塑性破壞的范圍逐步擴(kuò)大，塑性區(qū)半徑相應(yīng)增大。支承壓力引起巷道靠近煤柱幫、工作面煤壁及煤層底板發(fā)生強(qiáng)烈的塑性破壞。圍巖塑性區(qū)發(fā)展至超前工作面約35 m處與掘進(jìn)期間塑性區(qū)一致。通過(guò)對(duì)比圖8也可以發(fā)現(xiàn)，超前支承壓力主要使巷道頂板、靠近煤柱幫圍巖塑性區(qū)更為發(fā)育，而實(shí)體煤幫、底板塑性區(qū)范圍與掘進(jìn)期間相差不大。

圖6 超前工作面40 m運(yùn)輸順槽垂直位移分布云圖

圖7 超前工作面40 m內(nèi)運(yùn)輸順槽頂板最大下沉量圖

圖8 運(yùn)輸順槽超前工作面40 m內(nèi)塑性區(qū)圖

受上區(qū)段工作面回采影響，輔運(yùn)順槽周邊圍巖塑性區(qū)發(fā)育情況見(jiàn)圖9. 由于留設(shè)的煤柱降低了側(cè)向支承壓力的影響，一定程度上減輕輔運(yùn)順槽工作面?zhèn)葞蛧鷰r發(fā)生塑性破壞。由圖9可知，煤柱塑性區(qū)發(fā)育顯著，在側(cè)向支承壓力影響下，煤柱大部分區(qū)域及煤層底板發(fā)生大范圍塑性區(qū)破壞，而工作面?zhèn)葞蛧鷰r塑性區(qū)范圍與掘進(jìn)期間相差不大。由于采空區(qū)側(cè)向支承壓力作用，輔運(yùn)順槽頂板塑性區(qū)范圍和深度較掘進(jìn)期間擴(kuò)大，并且上區(qū)段采空區(qū)破斷巖層觸矸后，采空區(qū)逐漸被壓實(shí)，支承壓力得到釋放，因此側(cè)向支承壓力影響程度增大，而后趨于穩(wěn)定。

圖9 上區(qū)段采空區(qū)后一定范圍內(nèi)輔運(yùn)順槽塑性區(qū)分布圖

4 二次采動(dòng)影響下巷道圍巖應(yīng)力分布及變形特征

工作面輔運(yùn)順槽除了受上區(qū)段工作面?zhèn)认蛑С袎毫τ绊懼?，還受本區(qū)段工作面回采超前支承壓力影響稱為二次采動(dòng)影響，其圍巖應(yīng)力分布、頂板位移變化、塑性區(qū)分布較一次采動(dòng)影響下更顯著?，F(xiàn)分析超前工作面40 m范圍內(nèi)垂直應(yīng)力、頂板垂直位移、塑性區(qū)范圍等參數(shù)的變化。

1) 垂直應(yīng)力。

輔助運(yùn)輸順槽超前工作面一定范圍內(nèi)垂直應(yīng)力分布見(jiàn)圖10，圖11.

圖10 超前工作面40 m內(nèi)輔運(yùn)順槽垂直應(yīng)力云圖

綜合分析圖10、圖11可知，二次采動(dòng)影響期間輔運(yùn)順槽巷道圍巖垂直應(yīng)力主要集中在本工作面幫、煤柱幫，而兩幫的垂直應(yīng)力主要由掘進(jìn)擾動(dòng)、上區(qū)段采空區(qū)側(cè)向支承壓力、本工作面超前支承壓力疊加而成。本工作面前方10 m、20 m、30 m、40 m處，工作面?zhèn)葞痛怪睉?yīng)力峰值分別為28.1 MPa、27.2 MPa、22.0 MPa、17.0 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為3.5、3.42、2.75、2.13，應(yīng)力峰值距離巷道表面3.0 m、3.2 m、3.5 m、3.6 m. 對(duì)比運(yùn)輸順槽超前支承壓力分布發(fā)現(xiàn)，輔運(yùn)順槽支承壓力峰值達(dá)26.1 MPa，較運(yùn)輸順槽超前支承壓力峰值增大4.3 MPa，峰值位置為工作面前方8 m，應(yīng)力集中系數(shù)為3.26，疊加支承壓力影響范圍為50 m.

圖11 兩順槽工作面幫支承壓力對(duì)比圖

2) 垂直位移。

記錄本工作面回采時(shí)工作面前方60 m范圍內(nèi)頂板最大下沉量，并將該順槽上區(qū)段工作面回采時(shí)頂板最大下沉量繪制于同一圖中(見(jiàn)圖12). 由圖12可知，受本工作面二次采動(dòng)影響，輔運(yùn)順槽頂板最大下沉量在工作面前方50 m范圍內(nèi)較一次采動(dòng)影響時(shí)頂板最大下沉量有所增加，最大增量為200 mm. 而超前工作面50 m外，巷道頂板最大下沉量與一次采動(dòng)影響下頂板下沉量相差無(wú)幾，進(jìn)而印證了疊加支承壓力影響范圍大致為工作面前方50 m.

圖12 兩次采動(dòng)影響下輔運(yùn)順槽頂板最大下沉量對(duì)比圖

3) 塑性區(qū)。

超前工作面10 m、20 m、30 m、40 m處，輔運(yùn)順槽圍巖塑性區(qū)分布見(jiàn)圖13. 在疊加支承壓力的作用下，圍巖發(fā)生較大范圍的塑性破壞。超前工作面10 m處，塑性區(qū)分布主要集中于本工作面?zhèn)葞筒?、煤柱幫及巷道頂?shù)装?，頂板最大塑性區(qū)深度為2.1 m；超前工作面20 m處，塑性區(qū)主要分布于巷道頂板、煤柱幫。頂板最大塑性區(qū)深度為2.1 m；超前30 m、超前40 m塑性區(qū)分布與超前20 m塑性區(qū)分布類似，主要區(qū)別在于前兩者的煤柱幫、頂板塑性區(qū)范圍相對(duì)較小些。

圖13 超前工作面40 m內(nèi)輔運(yùn)順槽塑性區(qū)分布云圖

綜上，運(yùn)輸順槽受掘進(jìn)擾動(dòng)、本工作面回采影響，工作面?zhèn)葞蛻?yīng)力集中峰值為20.6 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.58. 本工作面超前支承壓力峰值強(qiáng)度為21.8 MPa，位于本工作面煤壁前方7 m處，支承壓力影響范圍為35 m.運(yùn)輸順槽超前段巷道掘進(jìn)期間頂板下沉量為35.9 mm，頂板塑性區(qū)深度為0.7 m，受一次采動(dòng)影響后，最大頂板下沉量為 140 mm，頂板塑性區(qū)最大深度為2.1 m. 輔運(yùn)順槽受掘進(jìn)擾動(dòng)、上區(qū)段工作面一次回采影響、本工作面二次回采影響，疊加支承應(yīng)力集中于工作面?zhèn)葞筒?、煤柱幫，?yīng)力峰值為32.7 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為4.08. 疊加支承壓力峰值為26.1 MPa，位于本工作面煤壁前方8 m處，支承壓力影響范圍為50 m. 輔運(yùn)順槽超前段巷道掘進(jìn)期間頂板下沉量為35.9 mm，受一次采動(dòng)影響后，巷道頂板最大下沉量為150 mm；受二次采動(dòng)影響后，巷道頂板最大下沉量為350 mm.

5 結(jié) 論

1) 通過(guò)超前段巷道數(shù)值計(jì)算模型求解，得出掘進(jìn)擾動(dòng)、一次采動(dòng)、二次采動(dòng)對(duì)超前段巷道圍巖應(yīng)力分布、頂板垂直位移、塑性區(qū)分布等影響程度不一。一次采動(dòng)影響使得運(yùn)輸順槽垂直應(yīng)力集中于本工作面實(shí)體煤處，使頂板下沉最大增加104.1 mm，塑性區(qū)較發(fā)育，超前支承壓力峰值為21.8 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)2.7，影響范圍為超前工作面35 m. 受二次采動(dòng)影響，輔運(yùn)順槽疊加支承壓力峰值26.1 MPa，影響范圍為超前工作面50 m，頂板下沉最大增量為200 mm，塑性區(qū)很發(fā)育。

2) 運(yùn)輸巷受一次回采影響，工作面?zhèn)葞筒繎?yīng)力集中明顯，頂板下沉量迅速增加，塑性區(qū)較發(fā)育，超前支承壓力影響范圍可達(dá)35 m；輔運(yùn)巷受一次回采影響，煤柱及工作面?zhèn)葞统霈F(xiàn)應(yīng)力集中，頂板下沉量增加，而受二次回采影響，工作面?zhèn)葞图懊褐憩F(xiàn)高度的應(yīng)力集中，頂板下沉量快速增加，塑性區(qū)特別發(fā)育，疊加支承壓力影響范圍擴(kuò)大，峰值位置前移。結(jié)合采場(chǎng)周圍支承壓力分析，認(rèn)為超前支承壓力與側(cè)向支承壓力的疊加效果決定了超前巷道超前支護(hù)強(qiáng)度、支護(hù)距離的不同：運(yùn)輸順槽的超前支護(hù)強(qiáng)度、支護(hù)距離均小于輔運(yùn)順槽。

3) 由于運(yùn)輸順槽與輔運(yùn)順槽受巷道布置位置及各自服務(wù)功能的不同，從掘進(jìn)到進(jìn)入采空區(qū)的“全生命周期”服務(wù)期間將承受不同程度的“采掘”活動(dòng)影響。運(yùn)輸順槽兩側(cè)均為實(shí)體煤，僅受本工作面一次采動(dòng)影響；輔運(yùn)順槽先后承受上區(qū)段及本區(qū)段工作面兩次采動(dòng)影響，巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境更為復(fù)雜，巷道全周期圍巖變形量大。所以兩順槽進(jìn)行超前支護(hù)時(shí)需要區(qū)別對(duì)待，進(jìn)行分區(qū)域分級(jí)支護(hù)。