深井動壓誘導巷道變形支護技術研究

毛基騰

(安徽恒源煤電股份有限公司，安徽 淮南)

引言

隨著礦山開采規模和深度逐漸加大，我國諸多礦井逐漸進入深部開采狀態[1-2]，而深井開采中又存在工作面接替緊張問題，即上工作面采動對下工作面影響尚未穩定，則立即回采相鄰工作面，使上工作面殘余應力與本工作面超前支撐壓力產生雙重疊加作用，從而引起巷道頂板變形劇烈、煤柱炸幫和嚴重底鼓等異常動壓顯現等災害事故[3-5]。因此，針對采動誘導相鄰巷道圍巖發生災害事故，提出安全支護加固方案具有重要意義。

目前國內外專家為此做出大量的實驗，常青[6]采用數值模擬及現場監測手段以“高強錨網索+噴漿”聯合支護的圍巖控制方案階段動壓巷道圍巖變形嚴重難題。李海波[7]通過實施“高強度錨網索+噴漿”支護計劃，有效控制了巷道圍巖的破壞和變形，從而達到支護效果要求。康天慧[8]等通過數值模擬及理論分析手段，分析了下鄰回采巷道受采動影響的圍巖變形規律，揭示了動壓巷道圍巖變形破壞機理，提出了巷道長錨索支護+短錨索補強+鋼帶聯合差異化控制的分斷面錨索加固技術。楊文帥[9]為解決王家嶺煤礦12301 工作面回風巷道頂板安全問題，利用數值模擬進行礦壓分析，并提出高強預應力錨桿索組合支護技術。

為此本文根據朱集西礦13501 工作面運輸順槽為工程背景，利用FLAC3D 數值模擬分析13501 工作面順槽受下部工作面開采影響下的應力場、位移場時空演化規律，并提出巷道支護補強防控方案。

1 工程概況

13501 工作面為13-1 煤五采區首采工作面，工作面以傾斜長壁方式布置，其中工作面長為1 412 m，寬為205 m，煤厚為3.29～5.31 m，平均煤厚為3.86 m，煤層標高在-984.3 m～881.0 m 之間，變異系數γ=23%，可采性指數K=1。13501 工作面位于11-2 煤11501、11502 的上方，其中，13-1 煤層的底部與11-2煤層的頂部之間的距離介于63.6～84.4 m 之間，兩者間平均距離為73.2 m。根據《朱集西礦井建井期間13-1 煤層突出危險性評估》，礦井13-1 煤層具有突出危險性。

11502 工作面寬211 m、長1 320 m，目前11502工作面正在回采。11-2 煤層與上覆13-1 煤層間距63.6～84.4 m，平均間距73.2 m，11-2 煤層厚1.30～1.90 m，平均1.50 m，工作面煤巖層傾角為1°～9°，平均傾角7°。

由于13-1 煤工作面利用下解放層卸壓保護開采，一直都存在工作面接替緊張問題，13501 工作面運輸順槽在11502 工作面回采結束之后開始掘進，受下覆11 煤工作面采動影響相對較小，但13501 工作面運輸順槽部分巷道位于11502 工作面停采線外，因煤柱上方受支承壓力作用，則該段巷道圍巖穩定性較弱，見圖1。

圖1 工作面布置圖

2 11-2 煤層開采上覆巖層數值模擬分析

2.1 FLAC 數值模型建立

根據朱集西礦13501 工作面地質采礦條件(各巖層基本參數見表1)，建立11502工作面回采結束后，對處于11501 工作面停產線煤柱上方的13501 軌道順槽造成疊加影響的FLAC3D 數值分析模型。設定回采工作面長度為214 m，留設8 m 小煤柱。煤層邊界的長度和寬度分別為102 m 和640 m。模型y 方向長度和高度分別為900 m 和150 m，并且工作面沿y 軸正方向推進，11-2 煤與13-1 煤垂直距離為70 m。根據礦井地質資料設置模型x 向側壓系數1.4，y 向側壓系數0.75。建立模型見圖2。

表1 模型巖體力學參數

圖2 巷道開挖數值模型圖

2.2 11502 工作面回采應力分析

由圖3 中可以看出，巷道開挖后，巷道周圍應力重新分布，其中巷道兩幫出現明顯的應力集中現象，且呈現出左右對稱的趨勢，最大值為38.3 MPa，可以看出在兩個支承壓力區的疊加影響下，巷道圍巖垂直應力增大，集中體現在巷道兩幫的位置，這也是造成巷道底鼓量大的原因。

圖3 Z 軸垂直應力分布圖

2.3 11502 回采工作面位移分析

圖4、圖5 分別為13501 軌道順槽巷道圍巖Z 和X 軸位移分布云圖，可以看出13501 軌道順槽巷道底板Z 軸表面位移為540 mm，頂板表面位移為310 mm；左幫圍巖水平位移最大值為334 mm 左右，巷道右幫圍巖（靠近11502 工作面側）水平位移最大值為328 mm 左右，從圖5 中可以明顯發現，在巷道肩窩和底角的地方變形量最大，且內突成三角形，而且巷道右幫位移稍大于巷道左幫的位移。可以發現若對錨桿(索)錨固力達不到設計要求，則錨桿(索)不能對巷道圍巖起到主動支護作用，巷道圍巖與錨桿索也不能形成一個完整的錨固體，就會造成巷道圍巖變形較大。

圖4 巷道圍巖Z 軸位移分布圖

圖5 巷道圍巖X 軸位移分布圖

3 13501 工作面順槽支護方案優化及支護效果分析

3.1 13501 工作面順槽支護方案優化

根據13501 工作面順槽支護初始設計、監測和信息反饋分析，采動影響下13501 工作面軌道順槽變形嚴重，因此提出加強支護措施：補打中空注漿錨索。采用長度為6 300 mm 的中空注漿錨索，錨索間排距為1.2 m×1.6 m，外露長度150～250 mm，錨索張緊力不低于150 kN，每根錨索使用3 卷Z2850 型錨固劑。

3.2 礦壓監測及護效果分析

從圖6 可以看出采用修正后的錨網支護設計方案后，6#頂板離層儀巷道頂板變形量大幅減小，淺部變形量由支護方案前的100 mm 左右變為42 mm，深部變形量35 mm 左右變為23 mm，而且巷道頂板變形在距離掘進迎頭35 m 左右就趨于穩定，頂板變形穩定迎頭距減小。7#測點巷道頂板變形量很小，巷道頂板穩定性得到有效控制。淺部基點變形量穩定在8 mm，深部基點變形量穩定在3 mm。

圖6 頂板離層量與掘進迎頭距離關系圖

為了更加清晰的闡述采用修正錨網支護方案前后巷道頂板離層觀測數據變化，選取距離迎頭77 m 左右不同測點巷道頂板離層量數據進行分析，從圖7 可以看出，自5#與6#頂板離層儀采用修正錨網支護方案后，深部基點和淺部基點變形量顯著減小，巷道圍巖變形得到了有效控制。

圖7 距掘進迎頭77 m 不同離層儀觀測數據圖

4 結論

通過FLAC3D 數值模擬發現11502 回采導致13501 回風順槽兩幫出現明顯的應力集中現象，且呈現出左右對稱的趨勢，巷道垂直應力出現增大現象，并且在巷道肩窩和底角的地方變形量最大，且內突形成三角形。

根據數值模擬結果對13501 工作面軌道順槽進行加強支護，提出“補打中空注漿錨索”加固技術方案。

采取加固技術方案后，通過對13501 回風順槽頂板離層儀各項數據的對比分析，發現錨網支護參數優化效果明顯，巷道圍巖變形得到了有效控制。