采前動(dòng)壓巷道圍巖應(yīng)力演化規(guī)律及支護(hù)適應(yīng)性分析

馬少翀

（中煤科工能源投資有限公司，北京 朝陽(yáng) 100013）

采前掘進(jìn)巷道在服務(wù)期間受到相鄰工作面的采動(dòng)影響，且在工作面后方成為沿空巷道(護(hù)巷煤柱一側(cè)出現(xiàn)采空區(qū))，采前掘進(jìn)動(dòng)壓巷道受到上、下兩區(qū)段工作面回采的共同影響，護(hù)巷煤柱變形量相對(duì)較大，支護(hù)較困難。本文通過(guò)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)測(cè)等方法，研究并總結(jié)出采前動(dòng)壓巷道在掘進(jìn)過(guò)程及工作面采動(dòng)影響下的圍巖礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，進(jìn)而為該類情況下巷道合理的支護(hù)設(shè)計(jì)提供較好的理論指導(dǎo)和借鑒意義。

1 工程背景

經(jīng)坊煤礦3-7031運(yùn)輸巷位于3-702運(yùn)輸順槽北側(cè)，兩巷道間留設(shè)20m護(hù)巷煤柱。為緩解主采面間接續(xù)緊張的狀況，3-7031運(yùn)輸順槽在3-702工作面回采之前完成開(kāi)挖，巷道圍巖受702、703兩個(gè)工作面回采的動(dòng)壓影響，加之該巷道服務(wù)時(shí)間較長(zhǎng)，維護(hù)難度較大。因此，對(duì)采前動(dòng)壓巷道的圍巖承壓狀況及支護(hù)方式的合理性進(jìn)行研究非常必要。工作面布置如圖1所示。

2 沿空動(dòng)壓巷道圍巖失穩(wěn)機(jī)理

3-7031輔運(yùn)巷與主運(yùn)巷之間以20m煤柱護(hù)巷，當(dāng)該工作面推進(jìn)至停采線后，維護(hù)輔運(yùn)巷作為下工作面的回風(fēng)巷，將極大節(jié)約接續(xù)時(shí)間，而如何保證輔運(yùn)巷圍巖始終處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)將成為一大難題。巷道圍巖穩(wěn)定，通常采用錨桿、錨索及鋼筋網(wǎng)等支護(hù)結(jié)構(gòu)體得以實(shí)現(xiàn)。而基于支架-圍巖相互作用關(guān)系可知，巷道的圍巖應(yīng)力狀態(tài)遠(yuǎn)超支護(hù)體所提供的錨固力和預(yù)緊力，因此其支護(hù)體并不能極大地改變巷道圍巖的應(yīng)力環(huán)境和應(yīng)力狀態(tài)，而是以維護(hù)巷道頂板及兩幫的變形為主。

3-7031沿空動(dòng)壓巷道圍巖受眾多穩(wěn)定性因素制約，可按照成巷及工作面開(kāi)采先后順序?qū)⑾拗埔蛩貏澐譃槿齻€(gè)部分：一是沿空巷道的掘進(jìn)影響過(guò)程；二是沿空巷道與主運(yùn)巷之間的應(yīng)力影響過(guò)程；三是本工作面初次回采應(yīng)力影響。

2.1 巷道掘進(jìn)影響及相互應(yīng)力疊加影響分析

工作面3-702采用雙巷布置的形式，3-7031輔運(yùn)巷采前動(dòng)壓巷道于工作面回采之前已開(kāi)掘完成。因與3-702主運(yùn)輸留設(shè)20m煤柱護(hù)巷，其在工作面開(kāi)挖之前兩運(yùn)輸巷道的掘進(jìn)過(guò)程勢(shì)必引起巷道圍巖的應(yīng)力轉(zhuǎn)移及淺部圍巖的塑性破壞，其因掘進(jìn)而引起的巷道圍巖承載力大幅下降，產(chǎn)生的塑性破壞區(qū)范圍R可根據(jù)極限平衡理論表示為：

式中：

h-巷道的開(kāi)挖高度，3m；

λ- 應(yīng)力側(cè)向承壓系數(shù)，由公式λ=μ/(1-μ)求得λ=0.282；

k-掘巷引起應(yīng)力增高系數(shù)，由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)知最大為1.25；

H-工作面的開(kāi)采深度，350m；

γ-巖石容重，通常取25kN/m3。

C0-粘聚力值，根據(jù)地質(zhì)材料取5.1MPa；

φ0-內(nèi)摩擦角，根據(jù)地質(zhì)材料取27°；

Px-巷道的煤幫支護(hù)強(qiáng)度，按照實(shí)際支護(hù)形式定為0.1MPa。

因此得出掘進(jìn)影響下產(chǎn)生的塑性區(qū)寬度為R=5.21m，煤柱中段仍還能存在有9.58m的彈性核區(qū)，該彈性核區(qū)受水平應(yīng)力的相互擠壓，煤體不會(huì)有大量裂隙存在。煤柱內(nèi)仍形成彈性核區(qū)且保持相對(duì)穩(wěn)定，極大程度上提高了巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)。在此開(kāi)挖狀態(tài)下，兩運(yùn)輸巷掘進(jìn)產(chǎn)生應(yīng)力并不會(huì)在煤柱側(cè)產(chǎn)生疊加，應(yīng)力影響關(guān)聯(lián)性并不大。

2.2 3-702工作面采動(dòng)影響

掘進(jìn)主運(yùn)巷與輔運(yùn)巷經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，巷道圍巖內(nèi)應(yīng)力得到了充分的釋放，而后工作面開(kāi)始由切眼向前推進(jìn)，懸露頂板以“o-x”形式開(kāi)始破壞，關(guān)鍵塊之間以鉸接梁的結(jié)構(gòu)相互擠壓得以平衡，裂隙帶巖層形成了一種“平衡-失穩(wěn)-平衡”的動(dòng)態(tài)有序循環(huán)過(guò)程，每次基本頂?shù)氖Х€(wěn)同樣伴隨著頂板的礦壓顯現(xiàn)，在頂板以板結(jié)構(gòu)形式循環(huán)破斷的過(guò)程中，輔運(yùn)巷不斷受工作面的側(cè)向支承壓力影響，圍巖力學(xué)環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，可建立力學(xué)模型，如圖2所示。

圖2 工作面前后支承壓力分布圖

可以看出，實(shí)體煤側(cè)經(jīng)歷了一段先升高至應(yīng)力峰值而后下降至原巖應(yīng)力的應(yīng)力分布過(guò)程。若輔運(yùn)巷布置于應(yīng)力增高區(qū)內(nèi)，巷道頂板承壓現(xiàn)象嚴(yán)重，極有可能導(dǎo)致頂板大面積垮落、層間大范圍錯(cuò)動(dòng)和幫部煤體嚴(yán)重外冒的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，因此，輔運(yùn)巷的圍巖力學(xué)狀態(tài)的優(yōu)劣直接影響了開(kāi)采工作的順利進(jìn)行。

3 試驗(yàn)段礦壓觀測(cè)

3-7031運(yùn)輸順槽按設(shè)計(jì)進(jìn)行支護(hù)后，通過(guò)安設(shè)巷道表面位移基點(diǎn)儀器設(shè)備，對(duì)支護(hù)后的3-7031運(yùn)輸順槽進(jìn)行礦壓觀測(cè)。從巷道表面收斂變形情況，分析研究沿空動(dòng)壓巷道圍巖的支護(hù)形式的適用性。

測(cè)站及各種觀測(cè)儀器安裝情況為:在3-7031運(yùn)輸順槽中。測(cè)站I距3-703開(kāi)切眼35m，測(cè)站Ⅱ距測(cè)站I 30.5m，測(cè)站Ⅲ距測(cè)站Ⅱ26m，測(cè)站Ⅳ距測(cè)站Ⅱ30m。在四個(gè)測(cè)站處共布設(shè)7個(gè)表面位移觀測(cè)斷面，其表面位移及表面位移速度分別如圖3～6所示。

觀測(cè)可以看出，巷道頂板整體性較好，巷道實(shí)體煤側(cè)基本無(wú)破壞現(xiàn)象，僅在測(cè)站Ⅳ處有局部片幫現(xiàn)象；巷道煤柱幫相比實(shí)體煤側(cè)變形量較大，其中有部分外出或局部沿結(jié)構(gòu)面滑移跡象，整體情況下煤柱幫在該支護(hù)形式下能達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定。

圖3 測(cè)站I表面位移

圖5 測(cè)站Ⅲ表面位移

4 結(jié)論

（1）基于極限平衡理論可確定，雙巷布置的巷道掘進(jìn)過(guò)程產(chǎn)生塑性破壞區(qū)范圍為5.21m。3-7031輔運(yùn)巷以20m區(qū)段煤柱的護(hù)巷方式，煤柱內(nèi)存在一定寬度的彈性核區(qū)以維持煤柱內(nèi)部穩(wěn)定，掘進(jìn)不會(huì)引起兩巷的應(yīng)力疊加使巷道圍巖出現(xiàn)嚴(yán)重礦壓顯現(xiàn)。

（2）試驗(yàn)段巷道礦壓監(jiān)測(cè)頂?shù)装寮皫筒肯鄬?duì)位移量，能直接反映支護(hù)的適用性及圍巖的采動(dòng)影響特征。結(jié)果表明，煤柱幫的位移量明顯高于實(shí)體煤側(cè)，頂板完整性相對(duì)較好。

圖6 測(cè)站Ⅳ表面位移