近距離煤層采空區(qū)下大斷面巷道支護(hù)技術(shù)探討

王建偉

（山西河曲晉神磁窯溝煤業(yè)公司，山西 忻州 030800）

由于磁窯溝礦相鄰煤層層間距較小，相鄰煤層采動(dòng)影響較大，易造成下煤層回采巷道圍巖應(yīng)力集中或巷道圍巖的破壞，巷道支護(hù)難度較大[1]。同時(shí)，為滿足通風(fēng)和生產(chǎn)需求，其巷道設(shè)計(jì)斷面面積較大，進(jìn)一步加劇了巷道的失穩(wěn)[2]。因此，開展對(duì)此類巷道失穩(wěn)原因和控制方式的研究具有迫切的現(xiàn)實(shí)需要。本文以磁窯溝礦近距離開采的10-2煤采空區(qū)下13108 運(yùn)輸順槽為工程實(shí)例，對(duì)其巷道失穩(wěn)原因和控制方案進(jìn)行初步探討。

1 工程概況

磁窯溝礦13108 運(yùn)輸順槽位于平均埋深147 m的13108 工作面，巷道東部為未開采實(shí)體煤柱，南部為131 盤區(qū)大巷，西部為13108 工作面 （待開采），北部為井田邊界煤柱。巷道上方為10-2煤層10301、10302 采空區(qū)和原磁窯溝煤礦開采區(qū)域，巷道距上采空區(qū)平均距離為31.4 m。巷道沿13 煤層底板掘進(jìn)，掘進(jìn)長(zhǎng)度2 320.6 m。斷面為7 m×4 m 的矩形，平均坡度3.2°。13108 運(yùn)輸順槽頂?shù)装迩闆r如表1 所示。

表1 13108 運(yùn)輸順槽頂?shù)装迩闆r

13108 運(yùn)輸順槽斷面較大，巷道沿煤層底板掘進(jìn)，圍巖為松軟的煤層。同時(shí)，距離巷道上方31.4 m 左右為10-2煤采空區(qū)。相似工況條件的相鄰巷道在巷道掘進(jìn)期間，易產(chǎn)生巷道片幫、底鼓和頂板破碎等巷道失穩(wěn)問題。雖然相鄰巷道采取了補(bǔ)救措施，但嚴(yán)重影響了工作面的生產(chǎn)效率和安全。因此，為了避免13108 運(yùn)輸順槽出現(xiàn)類似安全隱患，急需查找巷道失穩(wěn)原因，并有效制定巷道穩(wěn)定控制方式。

2 巷道失穩(wěn)分析

為了查找近距離煤層采空區(qū)下巷道產(chǎn)生失穩(wěn)的原因，選取有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算軟件FLAC3D，并根據(jù)13108 運(yùn)輸順槽工況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。

1）模型建立及網(wǎng)絡(luò)劃分。根據(jù)巷道工程概況，巷道模型為7 m×4 m，上覆采空區(qū)工作面寬度為200 m，與巷道軸向方向垂直正交。因此，模型長(zhǎng)147 m，寬240 m，高79 m。10-2煤層工作面兩側(cè)留設(shè)20 m 保護(hù)煤柱，其余地層模型按照頂?shù)装甯艣r設(shè)置。為保證運(yùn)算質(zhì)量和效率，巷道研究區(qū)域附近網(wǎng)絡(luò)局部加密，其余模型網(wǎng)絡(luò)單元尺寸適當(dāng)增加[3]。整體數(shù)值模型如圖1 所示。

圖1 數(shù)值模型

2）模型賦參及邊界條件。上述模型地層參數(shù)，取礦井設(shè)計(jì)初期巖石實(shí)驗(yàn)室物理力學(xué)參數(shù)的0.1～0.2 倍[4]。采用Elastic 模型模擬模型的初始地應(yīng)力，模型開采時(shí)采用Mohr 破壞模型。在10-2煤與其頂板間建立接觸面，并采用FISH 語(yǔ)言模擬頂板的垮落和應(yīng)力恢復(fù)過程[5]。對(duì)模型z 方向施加重力加速度－10 m/s2，模型上表面距地表約100 m，對(duì)模型上表面z 方向施加－2.3 MPa 模擬模型上覆應(yīng)力，側(cè)壓力系數(shù)設(shè)置為1.3。限制模型四周方向的位移，模型底部固支。

3）模擬結(jié)果分析。根據(jù)模型的塑性區(qū)和應(yīng)力數(shù)值模擬結(jié)果，沿13108 巷道軸向方向做模型的切片，并對(duì)巷道影響范圍的應(yīng)力和塑性區(qū)進(jìn)行后處理，如圖2（a～b）所示。根據(jù)巷道圍巖垂直應(yīng)力云圖和塑性區(qū)分布圖對(duì)巷道失穩(wěn)原因進(jìn)行分析。

圖2 x 方向數(shù)值模擬剖面

由圖2（a）可知，巷道上方10-2煤工作面開采后，覆巖垮落并重新壓實(shí)。采空區(qū)中部和采空區(qū)兩側(cè)煤柱產(chǎn)生了應(yīng)力集中，應(yīng)力集中系數(shù)分別為1.42 和1.77，導(dǎo)致下方對(duì)應(yīng)區(qū)域的巷道頂?shù)装寰a(chǎn)生了1.34～1.58 倍的應(yīng)力集中。結(jié)合圖2（b）可知，在不考慮支護(hù)的前提下，巷道圍巖的剪切破壞塑性區(qū)范圍為2.3～6.8 m，且應(yīng)力集中區(qū)域巷道圍巖塑性區(qū)破壞范圍是非應(yīng)力集中區(qū)域的1.8～2.2 倍。

綜上分析，采空區(qū)下13108 運(yùn)輸順槽易產(chǎn)生失穩(wěn)的主要原因是上覆采空區(qū)重新壓實(shí)后不均勻的應(yīng)力傳遞造成的；同時(shí)，較大的巷道斷面和強(qiáng)度低多裂隙的煤層圍巖進(jìn)一步加劇了巷道的失穩(wěn)。

3 采空區(qū)下巷道支護(hù)分析

由前面分析可知，上覆采空區(qū)不均勻的應(yīng)力傳遞、強(qiáng)度較低的煤層圍巖和大斷面巷道，導(dǎo)致巷道掘進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的塑性區(qū)破壞范圍高于普通回采巷道。應(yīng)從巷道支護(hù)強(qiáng)度和塑性區(qū)破壞范圍兩方面，來提高巷道的穩(wěn)定性。因此，借鑒開切眼掘進(jìn)工程經(jīng)驗(yàn)和相近工況巷道支護(hù)條件[1]，決定采用二次成巷掘進(jìn)技術(shù)，輔以高強(qiáng)度錨桿（索）網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。

1）支護(hù)方案。13108 運(yùn)輸順槽支護(hù)方案如表2所示。

表2 13108 運(yùn)輸順槽支護(hù)方案

2）巷道掘進(jìn)方案。13108 運(yùn)輸順槽采用兩次成巷掘進(jìn)方式： 采用12CM15-10D 型連采機(jī)從巷道左側(cè)進(jìn)刀，截割寬度3.2 m，截割深度5 m。即時(shí)進(jìn)行支護(hù)，布置4 根頂錨桿和一根錨索及4 根幫錨桿。隨后，調(diào)整煤機(jī)退回原掘進(jìn)位置，對(duì)巷道進(jìn)行3.8 m 的擴(kuò)幫，并完成剩余巷道支護(hù)。如探測(cè)發(fā)現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造帶時(shí)，二次循環(huán)進(jìn)尺變更為1.5 m。

3）支護(hù)方案對(duì)比分析。利用原有數(shù)值模型，分別模擬巷道一次成巷和二次成巷，且考慮支護(hù)方案時(shí)，采空區(qū)中部下方應(yīng)力集中區(qū)域的巷道塑性區(qū)分布規(guī)律如圖3 所示。

圖3 支護(hù)方案對(duì)比

對(duì)比圖3（a）和3（b）可知，巷道二次掘進(jìn)塑性區(qū)范圍為0.5～1.2 m，一次掘進(jìn)塑性區(qū)范圍為1.5～3.1 m； 一次掘進(jìn)巷道產(chǎn)生的塑性區(qū)為二次掘進(jìn)的2～3 倍，說明采用二次掘進(jìn)技術(shù)后，巷道塑性區(qū)得到有效抑制。

4 應(yīng)用效果

為確定13108 運(yùn)輸順槽的巷道控制效果，在采空區(qū)兩側(cè)應(yīng)力集中區(qū)域的下方巷道掘進(jìn)頭布置測(cè)點(diǎn)，利用十字測(cè)點(diǎn)法監(jiān)測(cè)自掘進(jìn)30 d 內(nèi)的巷道圍巖移近量[2]，如圖4 所示。

圖4 巷道表面位移監(jiān)測(cè)

由圖4 可知，巷道掘進(jìn)初期（0～3 d），受掘進(jìn)擾動(dòng)的影響，巷道位移量快速增加，巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷淖畲笠平俣葹?6.9 mm/d 和15.8 mm/d，變形以頂板變形為主；隨后，隨著測(cè)點(diǎn)距離掘進(jìn)工作面的距離增加，掘進(jìn)擾動(dòng)減少，巷道位移速度明顯下降。巷道掘進(jìn)3～15 d 后，巷道位移速度基本保持不變，移近速度下降至0.1～0.2 mm/d。巷道掘進(jìn)30 d 后，巷道掘進(jìn)距離測(cè)點(diǎn)約100 m，巷道圍巖的最大移近量分別為58 mm 和42 mm，此時(shí)巷道斷面收斂率僅為2.0%，證明巷道掘進(jìn)期間圍巖穩(wěn)定性較好。

5 結(jié)語(yǔ)

近距離煤層采空區(qū)下巷道受采動(dòng)影響，造成局部應(yīng)力集中，是導(dǎo)致巷道的穩(wěn)定性下降的主要原因，同時(shí)軟弱的煤層圍巖和大斷面加劇了巷道的失穩(wěn)。通過數(shù)值模擬分析，表明二次掘進(jìn)較一次掘進(jìn)巷道塑性區(qū)范圍明顯下降。采用二次掘進(jìn)控制技術(shù)后，巷道表面移近量為42～58 mm，證明巷道掘進(jìn)期間圍巖穩(wěn)定性較好。