縮面影響下輔助巷道變形特征及控制技術

石文朋，魏寶貞，李 楠，譚 浩，陳兆生

（兗州煤業股份有限公司東灘煤礦,山東 鄒城 273500）

0 引言

影響工作面安全生產的不利因素眾多，回采巷道的圍巖變形問題便是其中之一[1-2]。相較于其他危險因素，圍巖變形問題往往不受到重視，但實際現場經驗證明[3-4]大量巷道災害的發生大多是因為對圍巖變形控制不到位，最終演變成頂板事故甚至于沖擊地壓事故等。東灘煤礦1310工作面受地質條件限制，設計為后期縮面開采工作面，縮面回采改變了工作面原有采寬，也打破了原采動平衡狀態，在此階段受開采條件等多因素耦合影響，工作面輔助軌順圍巖預計會有較大變形，若此類變形不受控制或控制程度較差，將極大威脅工作面安全生產和人員生命安全，因此對輔助軌順的變形特征和控制方案展開研究具有必要性，對保障工作面安全生產也具有一定的現實意義。

1 工程概況

1310綜放工作面為“刀把”縮面開采工作面，布置情況見圖1。軌順長約383.7 m，運順長約310.7 m，正常段軌順與運順之間采寬約202.8 m，縮面位置距軌順端切眼約184 m，縮面后輔助軌順與運順巷之間采寬約153.2 m，采寬減少了約49.6 m，并在輔助軌順東側形成了遺留煤柱。輔助軌順采用錨網帶錨索聯合支護，頂板每排鋼帶打7根φ22 mm×2 400 mm的左旋無縱筋樹脂錨桿，錨桿間排距750 mm×950 mm，隔排布置3根φ22 mm×8 000 mm錨索，排距1 900 mm；兩幫每排各布置5根間距為850 mm的φ20 mm×2 200 mm錨桿，隔排采用φ22 mm×8 000 mm錨索和短鋼帶聯合加固支護。在現支護條件下圍巖變形量較小，但縮面期間能否繼續保持穩定還需進一步分析。

圖1 1310工作面布置平面圖

2 縮面影響下輔助軌順變形特征分析

2.1 巷道變形影響因素

通常來說，回采巷道的變形主要受自然因素和開采因素的影響。自然因素主要包括工作面埋深、圍巖自身力學參數、地質構造等。工作面埋深愈大，巷道所承受的地應力愈高，巷道發生失穩變形的概率也愈高；煤巖體自身力學參數決定著圍巖強度，煤巖體強度越大，自身的承載力則越高，圍巖則更加穩定，相對于正常巷道來說，軟巖巷道控制難度較大就是由于此原因導致的；地質構造對于圍巖穩定的影響主要來自于斷層區域的活化，斷層活化造成區域內巖體破碎，此區域的支撐力將大大下降，易出現圍巖大變形的情況，但變形區域具有局限性。開采因素則包括巷道寬度、巷道高度、采空區處理方法、采動影響等因素。巷道寬度及高度的選擇對巷道圍巖變形程度有著直接的影響，一般認為巷道寬度及高度越大，其變形程度越難控制；直接垮落法處理頂板和采用充填法控制頂板對圍巖變形有著較大的不同，充填法對圍巖控制起到一定的促進作用，能夠有效減少圍巖變形；采動影響則是圍巖變形常見且主要的影響因素，采動因素較為復雜，受采高、采寬、開采方法等多種因素綜合影響。

2.2 輔助軌順變形誘因分析

1310輔助軌順變形誘因主要有以下3個方面。

1）采寬變化影響。受工作面縮面的影響，工作面開采后期采寬將縮小50 m左右，受采寬減小影響，原本保持的應力平衡狀態發生改變，在重新形成新的應力平衡期間，應力開始向輔助軌順轉移，轉移的應力使圍巖破壞程度也相應變化，勢必會造成圍巖變形量增加。采寬因素是1310輔助軌順變形的首要影響因素，應重點考慮。

2）遺留煤柱影響。工作面縮面后，在原軌順與輔助軌順之間形成了不規則遺留煤柱，煤柱的穩定性與圍巖的穩定性息息相關，且遺留煤柱在不穩定狀態下易誘發煤柱型沖擊地壓，對工作面造成極大的威脅，該煤柱在采動應力影響下若發生破壞，尤其是煤柱邊緣破壞程度更高，易造成圍巖變形加劇，所以遺留煤柱對圍巖變形也是一個不利的因素。

3）應力顯現影響。巷道變形狀態是工作面礦壓顯現的結果，整條巷道受礦壓影響程度不一樣，最終呈現的變形情況也不一樣。另外由于巷道不同區域受采動應力顯現程度影響不一，原支護系統受到的影響也不同，通過現場觀測發現巷道整體支護體系雖未被破壞，但局部區域出現錨桿、錨索失效等情況，此區域圍巖變化較為明顯，造成支護效果不佳。

2.3 數值模型構建

數值模型整體尺寸為300 m×290 m×90 m，X、Y方向邊界施加水平約束，底部施加垂直約束，頂部不設約束并施加14.5 MPa的上覆巖層等量載荷，施加的自重應力為10 m/s2，模型各巖層參數依據1310工作面實際巖層情況選取，如表1所列。在模型輔助順槽頂底板及兩幫各布置一條測線，起點為新切眼位置，每條測線包含4個測點，測點間距20 m。

表1 煤巖體力學參數表

2.4 數值模擬結果分析

對數值模型中4條測線中的數據進行整理分析，利用origin數據處理軟件得到了不同推進階段4個測點的巷道圍巖變形曲線圖，如圖2所示。4個測點的圍巖變形趨勢整體上是基本一致的，其中頂板及兩幫呈現出遞增趨勢，而底板則呈現出平穩趨勢。

圖2 縮面階段工作面圍巖變形曲線

由于測點1離縮面位置最近，受采動影響最大，所以圍巖變形量是所有監測點中最大的。分析圖2（a）可知，當工作面推進50 m位于縮面位置時，頂板變形最大值為170 mm，采幫最大變形量為138 mm，非采幫最大變形量為144 mm，而底板受影響極小幾乎無底鼓，最大變形量僅7 mm。在此區域，圍巖變形將造成巷道空間較大程度的減小，對于工作面的超前支護也極為不利，兩幫及頂板的變形加之應力集中影響甚至會造成巷道超前支架間距減小、擠架等安全風險。

分析圖（2）b可知，圍巖變形曲線較圖（2）a相對緩和，說明此測點處圍巖受縮面影響有所減小，圍巖變形總量減少約188 mm，在工作面推進40 m之前，非采幫變形量要大于采幫變形量，而推進40 m以后則相反，此時采幫受應力顯現的影響更大。由此對比可知，圍巖變形規律并非一成不變的，變形范圍、程度等相關參數均是隨著回采距離或采動應力變化而變化的，相對應的也需要利用不同方案對不同階段的圍巖變形情況進行處理。

分析圖（2）c可知，隨著測點3進一步遠離縮面位置，圍巖變形量急劇減少，最大值保持在60 mm范圍內，圍巖條件較為良好。非采幫變形量大于采幫變形量，主導影響因素是縮面產生的遺留煤柱，煤柱的破壞使非采幫側的變形加大。此測點數據證明了遠離切眼的巷道部分主控因素為遺留煤柱，遺留煤柱的穩定程度決定著巷道圍巖穩定程度。隨著后期繼續開采，遺留煤柱受采動影響預計會發生一定程度破壞，破壞程度將決定著圍巖變形程度，所以工作面開采末期應考慮對遺留煤柱采取相關安全措施。

分析圖（2）d可知，測點4相較于其他3個測點圍巖變形曲線最為緩和且變形量最低，非采幫變形量遠大于采幫，圍巖最大變形量控制在40 mm以內，這是由于測點4距應力擾動區較遠，該區域圍巖整體穩定性保持較好，另外數據對比結果也更加證明了遺留煤柱對非采幫的影響進一步加深，采動應力的影響進一步減弱。

通過對4個測點監測數據的分析，得到了圍巖變形量曲線，綜合分析圖2可知，在相同的回采距離內，1310工作面輔助軌順前段圍巖變形受采動應力影響較大，后段則受遺留煤柱的影響較深。巷道頂底板及兩幫變形量由切眼往外呈現逐漸減小的趨勢。綜合對比軌順頂底板及兩幫變形曲線可知，頂板變形量最大，兩幫次之，底板最為穩定，為保證工作面生產安全，需要采取適宜的方案對巷道進行加強支護。

3 強化支護措施及現場實踐

3.1 強化支護措施

由模擬推進結果可知，縮面期間工作面頂板變形較大，兩幫變形次之，底板變形較小。應采取不同方案針對各自情況來處理。

針對頂板變形問題，采取原支護基礎上增加局部補強支護措施。局部補強支護方式有2種，可依據現場實際情況選擇使用：第一種如圖3（a）所示，垂直于原支護鋼帶補打2排鋼帶，鋼帶距巷道中心約1.3 m，每排鋼帶打4根φ22 mm×2 400 mm左旋無縱筋樹脂錨桿，錨桿間距約1m；第二種如圖3（b）所示，平行于原支護鋼帶補打U型鋼梁，U型鋼梁距原支護鋼帶約0.4m，每根U型鋼梁中心及兩端分別打1根φ22 mm×8 000 mm錨索，共布置3根。針對兩幫變形問題，采取刷幫及補打錨桿的方式進行處理。依據原支護設計方案對明顯鼓幫區域進行刷幫重新支護，并對原支護體系的失效錨桿或錨索重新補打，以此來提高兩幫的支護能力。由于底板變形較小，對工作面安全生產的影響有限，暫不處理。若生產期間底鼓程度增加，可采取臥底等方式進行處理。

圖3 強化支護示意圖

3.2 監測方案

十字布點法的原理是在巷道同一斷面選取4個測點，4個測點形成2條測線，將2條測線的交叉點設為原點，分別量取4個交叉段的距離并與幫部及頂底板初始長度對比計算來確定圍巖位移量。需要注意的是兩幫及頂底板測點應分別保持平行和垂直。在對1310工作面輔助軌順采取補強支護后，為驗證支護效果，采用十字布點法對巷道的變形量進行監測，兩軌順交叉口至縮面位置每隔20 m設立一組測站，共布置10組，每組布置4個測點，測點為人工涂抹的紅漆標示點，兩幫測點距底板1.5 m水平布置，頂底板測點沿巷道中線垂直布置。測站布置如圖4所示。圍巖位移量計算方法[5]：頂板下沉量=頂底cd值-頂中co值；左幫移近量=兩幫ab值-左幫中ao值；右幫移近量=兩幫ab值-右幫中ob值。

圖4 圍巖變形測站布置示意圖

3.3 效果分析

對工作面巷道圍巖采取強化支護措施后，通過現場觀察及十字布點法監測可知，工作面縮面期間，圍巖變形量雖逐步增加，但其變形量及變形速率較小，未對工作面生產及安全造成影響。工作面縮面期間頂板下沉量控制在100 mm以內，兩幫變形量控制在80 mm范圍內，由此證明了強化支護措施的有效性。

4 結論

1）理論分析得到了工作面采寬變化、采動應力及遺留煤柱等因素的復合影響是造成工作面縮面階段圍巖變化的主要影響因素；模擬分析證明工作面縮面期間輔助軌順的頂板及兩幫變形量較大，尤其是頂板，最大變形量達到170 mm，底板則相對穩定，變形量可忽略不計。

2）基于理論及模擬分析的結果對縮面期間的圍巖強化支護方案進行了設計，幫部主要采取刷幫及補打錨桿、錨索的方式進行加固，而頂板則采用鋼帶錨桿或鋼梁錨索進行補強支護。通過十字布點法的監測證明了生產期間未發生頂板大面積下沉或幫部大面積鼓幫等情況，圍巖變形量均控制在合理范圍內，證明了強化支護方案的有效性。