同忻煤礦回采巷道圍巖穩(wěn)定性控制研究

李 強(qiáng)

（同煤國電同忻煤礦有限公司，山西 大同 037001）

1 礦井概況

同忻煤礦位于大同市，主要開采的煤層為石炭二疊紀(jì)。8106工作面的長度為193m，兩個順槽分別為2100順槽和5100順槽，長度分別為1712m和1706m。與8106工作面相鄰的工作面為8107工作面，兩工作面之間留設(shè)了寬度為45m的保護(hù)煤柱。8107工作面的運輸順槽為5107順槽，矩形斷面。

2 巷道礦壓顯現(xiàn)數(shù)值計算

根據(jù)5107巷地質(zhì)條件，建立數(shù)值模型。模型的長為700m，寬為557m，高為142m。模型主要模擬8106工作面未開采與開采時，8107工作面的推進(jìn)對5107巷的影響，主要是應(yīng)力分布方面的影響。本模型研究的推進(jìn)距離為600m，分30步進(jìn)行開挖，即每步只開挖20m。

2.1 8106工作面未開采時數(shù)值計算

圖1 工作面超前支承壓力分布圖

通過圖1可知，在工作面不斷向前推進(jìn)的同時，工作面超前支承壓力峰值逐漸變大，當(dāng)工作面向前推進(jìn)長度為200m時，超前支承壓力達(dá)最大峰值，而后逐漸趨于穩(wěn)定。此外，工作面超前支承壓力還會形成一個影響范圍，影響范圍在80m左右，應(yīng)力降低區(qū)范圍為0～8m，應(yīng)力升高區(qū)范圍為8～80m，支承壓力峰值區(qū)域則處于14～18m的范圍，峰值位于25～27MPa，原巖應(yīng)力區(qū)則為超過80m的范圍。

通過圖2～圖4可知，在工作面不斷推進(jìn)的同時，在工作面超前10m處，由于支承壓力的作用，巷道圍巖應(yīng)力不斷變大。但在工作面超前80m處，由于支承壓力的作用，巷道圍巖應(yīng)力基本沒有變化。在工作面推進(jìn)100m的情況下，工作面超前10m處的巷道垂直應(yīng)力峰值約為21MPa，而工作面超前80m處的巷道垂直應(yīng)力峰值約為17MPa。因此，若不受鄰近采空區(qū)的影響，則5107巷道圍巖不會出現(xiàn)較高的應(yīng)力集中現(xiàn)象，圍巖處于一定的穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 工作面推進(jìn)100m時不同超前距離處的垂直應(yīng)力分布

圖3 工作面推進(jìn)250m時不同超前距離處的垂直應(yīng)力分布

圖4 工作面推進(jìn)300m時不同超前距離處的垂直應(yīng)力分布

2.2 8106工作面開采后的數(shù)值計算

通過圖5可知，在8106工作面開采工作結(jié)束后，在8107工作面不斷推進(jìn)的同時，超前支承壓力的峰值逐漸變大，在工作面的推進(jìn)長度為200m的情況下，超前支承壓力達(dá)最大值，并最終穩(wěn)定于某一定值。此外，工作面超前支承壓力還會形成一個影響范圍，影響范圍在80m左右，應(yīng)力降低區(qū)范圍為0～8m，應(yīng)力升高區(qū)范圍為8～80m，原巖應(yīng)力區(qū)則為超過80m的范圍，支承壓力峰值區(qū)域則處于14～18m的范圍，峰值位于27～29MPa。顯然，應(yīng)力峰值產(chǎn)生了較大的變化，這表明鄰近采空區(qū)對8107工作面超前支承壓力產(chǎn)生了較大的影響。

圖5 工作面超前支承壓力分布圖

圖6 工作面推進(jìn)100m時不同超前距離處的垂直應(yīng)力分布

圖8 工作面推進(jìn)300m時不同超前距離處的垂直應(yīng)力分布

通過圖6～圖8可知，在工作面不斷推進(jìn)的同時，在工作面超前10m處，由于支承壓力的作用，巷道圍巖應(yīng)力不斷變大。但在工作面超前80m處，由于支承壓力的作用，巷道圍巖應(yīng)力基本沒有變化。在工作面推進(jìn)100m的情況下，工作面超前10m處的巷道垂直應(yīng)力峰值約為30.9MPa，而工作面超前80m處的巷道垂直應(yīng)力峰值約為26.4MPa。在工作面推進(jìn)300m的情況下，工作面超前10m處的巷道垂直應(yīng)力峰值約為40.9MPa，而工作面超前80m處的巷道垂直應(yīng)力峰值約為27.9MPa。因此，在受鄰近采空區(qū)以及超前支承壓力的作用下，5107巷道圍巖會出現(xiàn)較高的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在高應(yīng)力的影響下，圍巖處于一定的不穩(wěn)定狀態(tài)，并極易出現(xiàn)失穩(wěn)問題。

2.3 8106工作面未開采和開采情況的對比分析

（1）在未開采和開采情況下，當(dāng)8107工作面的推進(jìn)長度為200m時，其超前支承壓力值逐漸歸于某一定值，超前壓力影響范圍也趨于某一范圍。在未開采和開采情況下，超前支承壓力的影響范圍基本保持一致，影響范圍在80m左右，應(yīng)力降低區(qū)范圍為0～8m，應(yīng)力升高區(qū)范圍為8～80m，支承壓力峰值區(qū)域則處于14～18m的范圍，原巖應(yīng)力區(qū)則為超過80m的范圍。在8106工作面未開采的情況下，應(yīng)力峰值位于25～27MPa，在8106工作面開采的情況下，應(yīng)力峰值位于27～29MPa。后者比前者有了明顯增加，這表明在工作面前方20m處存在較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此，這一區(qū)域應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。

（2）在未開采和開采情況下，8107工作面前方10m處的巷道圍巖應(yīng)力是不同的。在8106工作面未開采的情況下，在超前支承壓力的影響下，超前支承壓力峰值會超過巷道圍巖應(yīng)力最大值；但在8106工作面開采的情況下，在超前支承壓力的影響下，超前支承壓力峰值會低于巷道圍巖應(yīng)力最大值。這表明，在受到鄰近采空區(qū)的作用下，5107巷道圍巖應(yīng)力在不同的位置，其應(yīng)力集中程度也有所不同。但在工作面前方20m的區(qū)域內(nèi)，由于8106采空區(qū)以及8107工作面推進(jìn)兩方面的影響下，表現(xiàn)出較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，巷道圍巖處于一種不穩(wěn)定狀態(tài)，極易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，并發(fā)生破壞。在非超前支承壓力作用區(qū)域，巷道僅會受到鄰近8106采空區(qū)的影響，圍巖應(yīng)力較小且最終趨于某一定值，這表明巷道圍巖比較穩(wěn)定。

（3）當(dāng)8107工作面推進(jìn)的距離達(dá)到250m左右時，5107巷在距煤壁20m左右的區(qū)域存在較為明顯的礦壓顯現(xiàn)，主要表現(xiàn)為巷道幫部存在片幫，兩幫移近量也較大，約為1200mm。此外，頂?shù)装逡平枯^大，約為1000mm，存在一定程度的底鼓，支護(hù)存在受損問題等，從而增加了巷道的安全隱患。因此，5107巷道在距煤壁20m左右的區(qū)域存在明顯的礦壓顯現(xiàn)，應(yīng)采取措施，對5107巷道在距煤壁20m以外的區(qū)域加強(qiáng)支護(hù)，以控制兩幫和頂?shù)装宓妮^大變形。

3 支護(hù)設(shè)計

通過以上分析，5107巷道在距煤壁20m以外的區(qū)域采用組合錨索的方法來實現(xiàn)加強(qiáng)支護(hù)，錨索的間排距分別為600mm和1800mm。具體支護(hù)設(shè)計如圖9所示。

圖9 5107巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方式 （單位：mm）

4 支護(hù)效果

4.1 巷道表面位移監(jiān)測

采用十字測量法對巷道表面位移進(jìn)行監(jiān)測，具體如圖10所示。在巷道斷面，分別選取巷道兩幫和頂?shù)装逯虚g點作為測量點。

圖10 十字測量法

4.2 監(jiān)測結(jié)果分析

監(jiān)測時間為期40d，從8107工作面推進(jìn)250m時就進(jìn)行監(jiān)測，該工作面周期來壓步距范圍為16～30m。

在監(jiān)測40d后，巷道兩幫移近量約為156mm，頂?shù)装逡平考s為123mm，這表明，采取加強(qiáng)支護(hù)后，巷道并未產(chǎn)生較大的變形，巷道變形得到了有效控制。

5 結(jié)語

通過對5107巷道數(shù)值模擬研究分析，采取組合錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)設(shè)計措施，加強(qiáng)對巷道的支護(hù)。結(jié)果表明，巷道頂?shù)装搴蛢蓭鸵平烤冃。锏雷冃蔚玫搅擞行Э刂啤?/p>