采動影響下沿空巷道圍巖穩(wěn)定性分析與控制技術(shù)研究

朱海峰

（棗莊王晁煤礦有限責任公司，山東 棗莊 277518）

1 工程概況

王晁煤礦16303工作面，主采16#煤層，工作面位于-400m水平，163采區(qū)，采用綜合機械化開采，全部垮落法管理頂板。16#煤層厚度為0.61～1.72m，均厚1.22m，平均含2層夾矸，夾石層主要成分為炭質(zhì)泥巖。煤層直接頂為泥巖，均厚1.17m；基本頂為石灰?guī)r，均厚4.62m；直接底為砂質(zhì)泥巖，均厚1.53m；老底為細砂巖，均厚3.21m。

為保證16#煤采區(qū)工作面的正常接替，16305工作面回風巷在臨近16303工作面回采前已經(jīng)掘成，巷道主要采用U型鋼棚進行支護，棚距800mm。在16303工作面未進行回采工作時，16305工作面回風巷能保證圍巖的穩(wěn)定性，但16305回風順槽在受到16303工作面回采動壓的影響下巷道變形嚴重，兩幫移近量達1.0m，巷道底鼓量達1.5m，頂板下沉嚴重，巷道局部區(qū)域收斂率達80%，大量U型鋼棚支架出現(xiàn)屈服破壞現(xiàn)象。基于此，需對16305回風順槽變形段進行修復，對未變形段進行補強加固。

2 采動影響下圍巖穩(wěn)定性分析

2.1 數(shù)值模擬模型建立

根據(jù)16#煤層頂?shù)装鍘r性及賦存條件，通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立16#煤層頂?shù)装辶W模型，模型長240m，高80m，設計開挖高度為1.5m，模型的左右邊界條件均為固支。根據(jù)16303工作面地質(zhì)資料，得出模擬使用的煤（巖）體物理力學參數(shù)如表1所示。

表1 16#煤層頂?shù)装鍘r層物理力學參數(shù)

根據(jù)上述巖層參數(shù)建立完初始模型后，對模型執(zhí)行開挖命令，掘出16303工作面及16305工作面回風巷并進行支護命令，然后對16303工作面執(zhí)行回采開挖命令。通過數(shù)值模擬具體研究16303工作面回采后，在采空區(qū)側(cè)向支承壓力的作用下，16305回風順槽的穩(wěn)定性。

2.2 圍巖塑性區(qū)分析

通過分析巷道圍巖塑性區(qū)域的演化規(guī)律能夠掌握圍巖在穩(wěn)定過程中巖體所處的狀態(tài)[1-3]。當對16303工作面執(zhí)行回采命令后，通過對模擬軟件計算1000、3000、5000步數(shù)及計算平衡時圍巖塑性區(qū)域的分布進行出圖分析，不同步數(shù)圍巖塑性區(qū)的分布如圖1所示。

當計算到1000步時，巷道0～5m范圍內(nèi)的圍巖體處于剪脹變形狀態(tài)，底板淺部圍巖左側(cè)出現(xiàn)小區(qū)域的拉應變區(qū)域，而底板右側(cè)并未出現(xiàn)，這便說明巷道圍巖的剪切破斷會先出現(xiàn)在左幫，兩幫剪切破斷呈現(xiàn)不對稱的特性，剪切破壞區(qū)域主要出現(xiàn)在巷道的左下方和右上方；隨著巷道圍巖塑性區(qū)的出現(xiàn)，圍巖的應力集中狀態(tài)進一步的減小，圍巖的集中應力會逐漸向深部轉(zhuǎn)移；根據(jù)3000步和5000步的圍巖塑性區(qū)域的分布可知，隨著計算時步的增加，巷道圍巖所受到的應力會逐漸向深部轉(zhuǎn)移，塑性區(qū)域會逐漸擴大，特別是巷道左下部位，其剪切破壞區(qū)域發(fā)育較為迅速，直至區(qū)段煤柱的塑性區(qū)域相互貫通。

隨著巷道圍巖塑性區(qū)域的不斷發(fā)育，當計算平衡時，巷道的底板及兩幫剪切破壞區(qū)域較大，并且巷道左幫的塑性區(qū)域范圍明顯大于右?guī)停装鍦\部圍巖還在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)了拉應力破壞。塑性區(qū)存在著一定的承載能力，而松動破壞區(qū)無承載能力，故針對圍巖的穩(wěn)定性而言，能夠允許塑性區(qū)域的出現(xiàn)，但應防止塑性區(qū)域的的發(fā)育，盡量避免出現(xiàn)松動破壞區(qū)。特別是針對受到動壓影響的巷道應及時的采取措施對巷道圍巖進行強化控制，控制圍巖變形，保證巷道圍巖的穩(wěn)定。

圖1 巷道圍巖塑性區(qū)的分布規(guī)律

3 沿空巷道圍巖控制技術(shù)

3.1 圍巖控制技術(shù)方案

通過具體分析16#煤采區(qū)的地質(zhì)條件、數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場情況，并結(jié)合其他礦井類似條件下原有支護變形失穩(wěn)特征[4-5]，能夠得出16305運輸順槽出現(xiàn)失穩(wěn)破壞的主要原因為：（1）巷道所處區(qū)域的應力水平較高；（2）U型棚搭接長度較短，卡攬螺母預緊力不足；（3）圍巖護表強度低，弱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差；（4）巷道底板未采取支護措施。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果及現(xiàn)場礦壓顯現(xiàn)特征可知，在16303工作面回采動壓的影響下，16305回風順槽出現(xiàn)較大的不均勻變形，基于此情況提出采用非均勻支護的手段對巷道圍巖進行控制，具體支護參數(shù)如下：

（1）修復、架棚

對巷道進行修復，修復后使用三節(jié)U29型鋼支架進行支護，支架的搭接長度為500mm，棚距600mm，搭接處使用3副雙槽夾板限位卡纜，卡纜螺母的預緊力需大于300N·m，巷道中間部位的卡纜安裝在靠近下部的位置，在進行棚腿安裝時，必須確保其架設到實體煤體或巖石上。

在U型棚架設好后即可開始安裝拉桿的操作，當支架未安裝拉桿時，支架與巷道圍巖之間的接觸僅靠棚腿與底板接觸，不能保證U型棚的穩(wěn)定，安裝拉桿后能夠改善支架與圍巖間的相互作用，提升支架整體的承載能力。

（2）掛金屬網(wǎng)背板

為提升U型支架對巷道的護表能力，通過在支架壁后掛設鋼筋網(wǎng)片以提高對巷道圍巖表面的保護能力，鋼筋網(wǎng)片尺寸為長×寬=0.6×0.5m，主筋直徑為Φ10mm，副筋直徑為Φ6mm，內(nèi)部網(wǎng)格為100×100mm。

（3）增設錨索進行補強支護

針對巷道圍巖變形量大且不均勻的特性，在巷道頂板及左幫共布置5根Φ21.6×6000mm型錨索，間排距為1100×1200mm；巷道右?guī)筒贾?根Φ21.6×4500mm型錨索，間排距為1100×1200mm；其中幫腳錨索與底板之間的垂直距離為0.3m，錨索的預緊力需大于8t，錨索托梁由廢舊U型鋼加工制成。具體支護斷面圖如圖2所示。

圖2 支護斷面圖

3.2 支護效果分析

16305回風順槽的補強加固從距離集中運輸巷320m開始，同時在加固段設置1#～4#測站，回采期間采用“雙十字”法進行測站處巷道表面位移監(jiān)測。根據(jù)16303工作面推進130m的范圍內(nèi)的監(jiān)測結(jié)果可知，4個測站的表面位移量基本相同，下面通過3#測站表面位移曲線圖進行具體分析，曲線圖如圖3所示。

16305回風順槽在超前工作面40m至工作面推過100m段，巷道受到采動壓力影響較為明顯，圍巖的變形存在著一定的規(guī)律性。圍巖變形的主要特征包括兩幫移近量強烈，底鼓占到頂?shù)装逡平康?0%，對于加固后的巷道圍巖兩幫移近量能夠控制在120mm左右，底板鼓起量控制在160mm左右，頂?shù)装逡平磕芸刂圃?00mm左右。這說明采用的加固手段能有效地控制巷道圍巖變形，保證巷道圍巖穩(wěn)定。

圖3 3#測站圍巖表面位移量

4 結(jié) 論

（1）通過數(shù)值模擬軟件對16305回風順槽圍巖穩(wěn)定性進行分析，得出在鄰近工作面回采動壓的影響下，巷道左側(cè)的塑性區(qū)發(fā)育范圍大于右側(cè)，且底板淺部巖層存在著一定的拉應力破壞區(qū)域。

（2）根據(jù)16305回風順槽的數(shù)值模擬結(jié)果，并結(jié)合地質(zhì)條件和現(xiàn)場情況，提出修復、架棚、掛金屬網(wǎng)背板、增設錨索的非均勻支護方案。

（3）根據(jù)礦壓觀測結(jié)果表明：支護方案實施后，兩幫移近量控制在150mm，底板鼓起量控制在160mm，頂?shù)装逡平靠刂圃?00mm，大大減小了底板鼓起量，有效地控制了巷道圍巖的不均勻變形，保障了16305回風順槽在鄰近工作面回采動壓影響下巷道圍巖的穩(wěn)定。