沿空掘巷巷道圍巖變形監測分析

李亞鋒

（山西焦煤霍州煤電晉北煤業有限公司，山西 忻州 035100）

相鄰巷道之間留設寬煤柱不僅會造成資源浪費，還會使開掘巷道圍巖形成高集中應力區，容易發生變形破壞，影響巷道的安全掘進[1]。沿空掘巷作為一種窄煤柱掘巷技術，逐漸成為現階段礦井主要研究方向之一[2-3]。但是沿空掘巷掘進位置一般處于煤幫的支承壓力峰值下，影響巷道的穩定性，不利于巷道的后期支護[4-6]。因此，通過對沿空巷道圍巖變形的監測，得到巷道圍巖變形規律，對巷道的支護提供一定的參考依據。

1 工作面概況

晉北煤業5-4071 巷北部為正在回采5-405 工作面，東部為4 采區集中皮帶巷和軌道巷，西部為已經回采完畢的5-401 工作面。地面標高+1446 ～+1507m 左 右，井下標高945 ～1050m左右，埋深約470 ～640m 左右。煤層厚度約2.0 ～4.5m，平均厚度3.5m，煤層賦存穩定，煤層傾角為6°～10°，f=1.7 左右。為了節約資源，減小護巷煤柱的大小，5-4071 巷沿著正在回采的5-405工作面掘進。

2 沿空巷道側向支承壓力分布規律

沿空巷道會受到采空區側向支承壓力的影響，其主要受到已采空工作面側向支承壓力和本工作面超前支承壓力的影響，而采空區側向支承壓力影響的大小取決于沿空掘巷所留煤柱的大小。隨著工作面向前推進，靠近采空區一側巷道圍巖應力升高形成應力集中區，當高集中應力超過邊緣煤體所能承載的極限時，巷道圍巖由彈性狀態轉化為塑性狀態，圍巖發生變形破壞。側向支承壓力向煤體深部轉移，在外界擾動的影響下，巷道頂板在工作面兩側發生斷裂破壞，形成內外兩個應力場，其應力分布示意圖如圖1 所示，其中1 為內應力場曲線，2 為外應力場曲線。內應力場處于頂板斷裂線與煤體邊緣之間，其應力值較??；外應力場處于斷裂線外側，在斷裂線附近應力升高，形成應力升高區，應力向深部轉移，垮落巖石逐漸充滿采空區空間，巷道圍巖趨于穩定，應力值逐漸減小，最后穩定在原巖應力值大小。

圖1 工作面側向支承應力示意圖

3 沿空巷道圍巖監測

3.1 監測方案

（1）采用測桿和鋼卷尺等機械測量方法對5-4071 巷圍巖頂底板移近量和兩幫移近量進行監測，得到巷道圍巖變形量。

（2）采用電感式位移傳感器監測5-4071 巷圍巖變形速率，從而判讀巷道圍巖的穩定性。

3.2 監測點布置位置

在5-4071 巷掘進450m、550m 位置處分別布置兩個測點，測點編號為1#、2#，監測5-405 工作面每回采20~30m 期間沿空巷道圍巖變形量。在膠帶巷掘進700m、800m 位置處分別布置兩個測點，測點編號為3#、4#，監測5-4071 巷沿空掘進和5-405工作面回采動壓影響下巷道圍巖變形量。

3.3 監測結果分析

（1）1#監測點結果

在5-4071 巷掘進450m 布置1#監測點，監測結果如表1 所示。

表1 1#監測點監測結果

根據1#監測點監測結果，得到巷道圍巖累積變形量，其結果如圖2 所示。

圖2 1#監測點巷道圍巖變形累積量

（2）2#監測點結果

在5-4071 巷掘進550m 布置2#監測點，監測結果如表2 所示。

表2 2#監測點監測結果

根據2#監測點監測結果，得到巷道圍巖累積變形量，其結果如圖3 所示。

圖3 2#監測點巷道圍巖變形累積量

（3）3#監測點結果

在5-4071 巷掘進700m 布置3#監測點，監測結果如表3 所示。

表3 3#監測點監測結果

根據3#監測點監測結果，得到巷道圍巖累積變形量，其結果如圖4 所示。

圖4 3#監測點巷道圍巖變形累積量

（4）4#監測點結果

在5-4071 巷掘進800m 布置4#監測點，監測結果如表4 所示。

表4 4#監測點監測結果

根據4#監測點監測結果，得到巷道圍巖累積變形量，其結果如圖5 所示。

圖5 巷道圍巖累積變形量

4 圍巖變形規律研究

5-4071 巷和5-405 回采工作面有兩種情況，分別為沿空掘巷和沿巷推采，由不同監測點監測數據和累積圍巖位移圖可以得到沿空掘巷巷道圍巖變形的規律：

（1）沿巷推采巷道圍巖變形規律可以分為3個階段：

① 超前變化階段。當工作面回采至超前觀測點20 ～70m 位置處，5-4071 巷圍巖就已經開始出現蠕變，變形速率慢且變化不明顯，巷道兩幫圍巖要先于頂底板變形。

② 同位變化階段。當工作面回采至監測點位置時，5-4071 巷圍巖變形量大且變形明顯，兩幫移近量趨近于峰值，頂底板移近量不斷增大。

③ 滯后變化階段。當工作面回采至監測點后40 ～60m 位置時，5-4071 巷頂底板移近量滯后于推進位置，在該區域內變形量達到最大值，兩幫移近量開始減小。

（2）根據監測結果和分析可知，5-4071 巷圍巖變形量受沿巷推采影響較為明顯，且沿巷推采3 階段圍巖變形規律相似。而巷道受沿空掘巷的影響圍巖變形量要小于沿巷推采，5-405 工作面在回采至停采線位置之前，巷道仍然受動壓的影響，因此，需要對巷道圍巖變形量繼續監測。巷道掘進后采用錨網索進行支護，需要對巷道錨桿、錨索支護進行受力監測，保證巷道的支護效果，提高巷道的穩定性。

（3）根據1 ～4#監測點監測結果可知，5-4071巷受沿空掘進和沿巷推采共同影響，巷道圍巖出現變形破壞。巷道兩幫最大變形量為600m，頂底幫圍巖變形量比兩幫變形量要小一些。因此，在巷道支護過程中，應適當地增加錨桿、錨索的支護強度。采用錨桿、錨索的直徑相較于原來巷道應當增大，錨桿由原來的Φ22mm 增加至Φ24mm，錨索由原來的Φ17.8mm 增加至Φ21.6mm。同時為了提高支護效果，巷道支護后采用二次注漿加固，進一步提高巷道的支護強度，保障巷道的安全掘進。

5 結論

（1）以5-4071 巷為研究對象，通過沿空巷道側向支承壓力分布研究，驗證了巷道礦壓顯現的規律，為巷道的實際支護提供依據。

（2）制定了沿空巷道圍巖變形監測方案，分別在膠帶巷掘進至450m、550m、700m、800m 布置4個測點。對監測結果進行分析，得出巷道圍巖變形規律可以分為超前變化階段、同位變化階段、滯后變化階段，圍巖最大變形量為600mm。并提出了采用將錨桿、錨索直徑增加至Φ24mm、Φ21.6mm 的措施提高支護強度，保證巷道的安全掘進。