王莊煤礦91采區排水巷圍巖穩定性研究

劉大亮，田計宏，劉 旺，黎科龍

(1.潞安環能股份公司 王莊煤礦，山西 長治 046031；2.中國礦業大學，江蘇 徐州 221116)

王莊煤礦新井進入91采區，圍巖應力高、強度低、完整性差、采動裂隙發育，深部高應力巷道的穩定性控制已經成為影響全礦安全高效生產的關鍵技術之一[1-3]。91采區排水巷為整個91采區服務，對采區工作面的安裝、排水、瓦斯排放等工作具有重要影響。因此，91采區排水巷圍巖穩定，對保障91采區綜放工作面的安全高效回采具有重要意義[4-7]。

1 工程概況

91采區排水巷東為91-101工作面，西為井田邊界，北為實煤體，南為井田邊界。巷道平面布置見圖1。91采區排水巷設計長度為312 m，巷道均沿煤層底板掘進，排水巷距91-101工作面切眼的距離為80 m。91采區排水巷采用全錨網支護，巷道斷面均為5.0 m×3.2 m的矩形斷面，巷道斷面支護見圖2。

圖1 91采區排水巷平面布置

2 數值模型的建立

根據工程地質條件，采用UDEC數值模擬軟件建立如圖3所示的模型，研究91采區排水巷掘進階段圍巖變形規律，分析91-101工作面對91采區排水巷道的影響。模擬采用位移控制邊界條件的方法，左右邊界的x方向速度為零，固定底部邊界，上邊界作為自由承載面。

圖2 巷道斷面支護(mm)

圖3 數值計算模型

監測測點布置如圖4所示，在巷道頂底板、兩幫設置測點，監測巷道頂底板、兩幫位移量；在煤柱上設置測點，監測煤柱上應力變化。

圖4 監測測點布置示意

3 數值模擬結果分析

3.1 位移變化特征

如圖5所示以計算時步為橫坐標，巷道頂底板、兩幫移近量為縱坐標，繪制時步-位移曲線，分析91采區排水巷在掘進階段和91-101工作面回采影響階段巷道圍巖位移變化特征。由圖5可知：

1) 0～1 980時步為91采區排水巷掘進階段。在0～250步，頂底板、兩幫位移量逐漸增加達到最大；250～1 980步，頂底板、兩幫位移量不變化。巷道頂底板移近量為119 mm，兩幫最大移近量為30 mm。

2) 1 980～10 000時步為91-101工作面回采階段。1 980～4 000步，頂底板、兩幫位移量逐漸增加達到最大；4 000步后，頂底板、兩幫位移量不變化。頂底板最大移近量125 mm，增加了6 mm，兩幫最大移近量為45 mm，增加了15 mm。91-101工作面回采時，91采區排水巷受采動影響小。

圖5 91采區排水巷時程-位移曲線

3.2 垂直應力分布特征

如圖6所示以煤柱寬度為橫坐標，煤柱上垂直應力分布為縱坐標繪制曲線，分析91采區排水巷護巷煤柱在掘進階段和91-101工作面回采影響階段應力變化特征。由圖6可知：

1) 91采區排水巷掘進階段，距巷幫0～10 m時，煤柱上垂直應力大于原巖應力，煤柱上垂直應力最大值為15 MPa；距巷幫大于10 m時，煤柱上垂直應力11.25 MPa，為原巖應力。

2) 在91-101工作面回采階段，由于采動影響煤柱上垂直應力增大。煤柱上垂直應力分布為單峰狀態，垂直應力最大值為22 MPa，應力集中系數為1.91，煤柱有一定的承載核區。

圖6 91采區排水巷護巷煤柱垂直應力變化曲線

3.3 塑性區分布特征

91采區排水巷在掘進階段和91-101工作面回采影響階段塑性區如圖7所示。由圖7可知，91-101工作面回采時排水巷塑性區大小增加幅度小，仍能滿足生產要求，無需對巷道進行注漿加固。

圖7 7采區排水巷塑性區特征

4 巷道位移量現場觀測

在91采區排水巷掘進期間，錨桿支護后開始布置測站，每隔30 m布置1個測站，共布置3個測站。測站采用十字布點法布置表面位移監測斷面，觀測頂底板和兩幫相對移近量和移近速度。

對91采區排水巷掘進期間3個測站表面位移觀測數據進行整理，得到巷道移近量與觀測天數的關系曲線，如圖8所示。由圖8可知：2號測站巷道頂底板移近量最大，為120 mm。觀測天數在0～30 d內，頂底板移近量增加，最大增加速度為7 mm/d。30天后，頂底板移近量基本不變，移近速度逐漸趨向于0。1號測站巷道兩幫移近量最大，為39 mm。觀測天數在0～30 d內，兩幫移近量增加，最大增加速度為2 mm/d。30天后，兩幫移近量基本不變，移近速度逐漸趨向于0。3個測站巷道頂底板移近量、兩幫移近量在30 d時達到穩定。3個測站巷道頂底板移近量、兩幫移近量變化趨勢基本相同，巷道變形量相差小。巷道圍巖整體變形量不大，圍巖控制效果好。

5 巷道頂板裂隙觀測及分析

在91采區排水巷頂板施工窺視鉆孔，鉆孔直徑為32 mm，鉆孔深度為9 m，采用鉆孔窺視儀，對頂板巖層結構、離層破碎狀況進行觀測，0～5.6 m范圍，巖體完整；5.6～5.7 m處，巖體裂隙橫向發育，輕微破碎；5.7～6.2 m范圍，巖體完整；6.2～6.6 m范圍，巖體裂隙縱向發育，裂縫寬度3 mm；6.6～9.0 m范圍，巖體完整。

圖8 掘進期間巷道圍巖表面位移變化

6 結 語

現場觀測可知，91采區排水巷掘進期間頂底板移近量為120 mm，兩幫移近量為39 mm，巷道圍巖整體變形量不大，圍巖控制效果好。采用UDEC數值模擬軟件研究了91-101工作面回采對排水巷道的影響，頂底板移近量增加了6 mm，兩幫移近量增加了15 mm，91-101工作面回采時，91采區排水巷受采動影響小，無需對巷道采取加固措施。