采前動壓巷道圍巖應力演化規律及支護適應性分析

馬少翀

（中煤科工能源投資有限公司，北京 朝陽 100013）

采前掘進巷道在服務期間受到相鄰工作面的采動影響，且在工作面后方成為沿空巷道(護巷煤柱一側出現采空區)，采前掘進動壓巷道受到上、下兩區段工作面回采的共同影響，護巷煤柱變形量相對較大，支護較困難。本文通過理論分析和現場工程實測等方法，研究并總結出采前動壓巷道在掘進過程及工作面采動影響下的圍巖礦壓顯現規律，進而為該類情況下巷道合理的支護設計提供較好的理論指導和借鑒意義。

1 工程背景

經坊煤礦3-7031運輸巷位于3-702運輸順槽北側，兩巷道間留設20m護巷煤柱。為緩解主采面間接續緊張的狀況，3-7031運輸順槽在3-702工作面回采之前完成開挖，巷道圍巖受702、703兩個工作面回采的動壓影響，加之該巷道服務時間較長，維護難度較大。因此，對采前動壓巷道的圍巖承壓狀況及支護方式的合理性進行研究非常必要。工作面布置如圖1所示。

2 沿空動壓巷道圍巖失穩機理

3-7031輔運巷與主運巷之間以20m煤柱護巷，當該工作面推進至停采線后，維護輔運巷作為下工作面的回風巷，將極大節約接續時間，而如何保證輔運巷圍巖始終處于相對穩定狀態將成為一大難題。巷道圍巖穩定，通常采用錨桿、錨索及鋼筋網等支護結構體得以實現。而基于支架-圍巖相互作用關系可知，巷道的圍巖應力狀態遠超支護體所提供的錨固力和預緊力，因此其支護體并不能極大地改變巷道圍巖的應力環境和應力狀態，而是以維護巷道頂板及兩幫的變形為主。

3-7031沿空動壓巷道圍巖受眾多穩定性因素制約，可按照成巷及工作面開采先后順序將限制因素劃分為三個部分：一是沿空巷道的掘進影響過程；二是沿空巷道與主運巷之間的應力影響過程；三是本工作面初次回采應力影響。

2.1 巷道掘進影響及相互應力疊加影響分析

工作面3-702采用雙巷布置的形式，3-7031輔運巷采前動壓巷道于工作面回采之前已開掘完成。因與3-702主運輸留設20m煤柱護巷，其在工作面開挖之前兩運輸巷道的掘進過程勢必引起巷道圍巖的應力轉移及淺部圍巖的塑性破壞，其因掘進而引起的巷道圍巖承載力大幅下降，產生的塑性破壞區范圍R可根據極限平衡理論表示為：

式中：

h-巷道的開挖高度，3m；

λ- 應力側向承壓系數，由公式λ=μ/(1-μ)求得λ=0.282；

k-掘巷引起應力增高系數，由現場實測知最大為1.25；

H-工作面的開采深度，350m；

γ-巖石容重，通常取25kN/m3。

C0-粘聚力值，根據地質材料取5.1MPa；

φ0-內摩擦角，根據地質材料取27°；

Px-巷道的煤幫支護強度，按照實際支護形式定為0.1MPa。

因此得出掘進影響下產生的塑性區寬度為R=5.21m，煤柱中段仍還能存在有9.58m的彈性核區，該彈性核區受水平應力的相互擠壓，煤體不會有大量裂隙存在。煤柱內仍形成彈性核區且保持相對穩定，極大程度上提高了巷道圍巖的應力狀態。在此開挖狀態下，兩運輸巷掘進產生應力并不會在煤柱側產生疊加，應力影響關聯性并不大。

2.2 3-702工作面采動影響

掘進主運巷與輔運巷經過一段時間后，巷道圍巖內應力得到了充分的釋放，而后工作面開始由切眼向前推進，懸露頂板以“o-x”形式開始破壞，關鍵塊之間以鉸接梁的結構相互擠壓得以平衡，裂隙帶巖層形成了一種“平衡-失穩-平衡”的動態有序循環過程，每次基本頂的失穩同樣伴隨著頂板的礦壓顯現，在頂板以板結構形式循環破斷的過程中，輔運巷不斷受工作面的側向支承壓力影響，圍巖力學環境相對復雜，可建立力學模型，如圖2所示。

圖2 工作面前后支承壓力分布圖

可以看出，實體煤側經歷了一段先升高至應力峰值而后下降至原巖應力的應力分布過程。若輔運巷布置于應力增高區內，巷道頂板承壓現象嚴重，極有可能導致頂板大面積垮落、層間大范圍錯動和幫部煤體嚴重外冒的強礦壓顯現現象，因此，輔運巷的圍巖力學狀態的優劣直接影響了開采工作的順利進行。

3 試驗段礦壓觀測

3-7031運輸順槽按設計進行支護后，通過安設巷道表面位移基點儀器設備，對支護后的3-7031運輸順槽進行礦壓觀測。從巷道表面收斂變形情況，分析研究沿空動壓巷道圍巖的支護形式的適用性。

測站及各種觀測儀器安裝情況為:在3-7031運輸順槽中。測站I距3-703開切眼35m，測站Ⅱ距測站I 30.5m，測站Ⅲ距測站Ⅱ26m，測站Ⅳ距測站Ⅱ30m。在四個測站處共布設7個表面位移觀測斷面，其表面位移及表面位移速度分別如圖3～6所示。

觀測可以看出，巷道頂板整體性較好，巷道實體煤側基本無破壞現象，僅在測站Ⅳ處有局部片幫現象；巷道煤柱幫相比實體煤側變形量較大，其中有部分外出或局部沿結構面滑移跡象，整體情況下煤柱幫在該支護形式下能達到相對穩定。

圖3 測站I表面位移

圖5 測站Ⅲ表面位移

4 結論

（1）基于極限平衡理論可確定，雙巷布置的巷道掘進過程產生塑性破壞區范圍為5.21m。3-7031輔運巷以20m區段煤柱的護巷方式，煤柱內存在一定寬度的彈性核區以維持煤柱內部穩定，掘進不會引起兩巷的應力疊加使巷道圍巖出現嚴重礦壓顯現。

（2）試驗段巷道礦壓監測頂底板及幫部相對位移量，能直接反映支護的適用性及圍巖的采動影響特征。結果表明，煤柱幫的位移量明顯高于實體煤側，頂板完整性相對較好。

圖6 測站Ⅳ表面位移