趙慧波

(潞安環(huán)能股份公司 王莊煤礦，山西 長治 046031)

在高應(yīng)力條件下，巷道變形會(huì)更激烈，圍巖支護(hù)更加困難。許多學(xué)者對高應(yīng)力條件下巷道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了大量的研究[1-3]，王衛(wèi)軍等[4]研究了支護(hù)阻力對高應(yīng)力巷道圍巖變形的影響，解釋了其難以控制的力學(xué)本質(zhì)；張廣超等[5]針對高強(qiáng)度綜放開采，建立了其工作面?zhèn)认蚧卷斊茢嘟Y(jié)構(gòu)模型，并利用FLAC3D進(jìn)行了圍巖應(yīng)力與位移演化特征模擬分析；李學(xué)華等[6]通過典型案列總結(jié)了窄煤柱變形破壞的關(guān)鍵因素；趙賓等[7]針對高應(yīng)力綜放面巷道圍巖變形破壞嚴(yán)重的問題，研究了煤柱合理尺寸確定方法和巷道圍巖控制技術(shù)。本文采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法，對王莊煤礦91高應(yīng)力采區(qū)首采工作面回采過程中圍巖穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行研究，為預(yù)測91采區(qū)其他工作面回采礦壓顯現(xiàn)提供依據(jù)。

1 工作面概況

王莊煤礦91采區(qū)煤質(zhì)破碎，呈現(xiàn)典型的高應(yīng)力特征。91-205工作面和91-203工作面是兩個(gè)相鄰工作面，兩個(gè)工作面之間的位置關(guān)系如圖1所示。91-205工作面作為91高應(yīng)力采區(qū)首采工作面，研究其回采對本工作面回采巷道和相鄰工作面回采巷道圍巖穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)特征，對于預(yù)測91采區(qū)其他工作面回采礦壓顯現(xiàn)具有重要的意義。

圖1 工作面平面位置關(guān)系(m)

2 圍巖穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)演化特征的數(shù)值模擬研究

2.1 數(shù)值模型的建立

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，模擬91-205工作面回采對91-205風(fēng)巷和相鄰91-203運(yùn)巷道影響，數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示。模型尺寸為長×寬×高=230 m×80 m×88 m。模型計(jì)算遵循摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則，變形模式為大變形，上覆施加載荷。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.2.1 巷道位移量動(dòng)態(tài)變化特征

91-205風(fēng)巷和91-203運(yùn)巷測點(diǎn)布置如圖1所示。91-205工作面回采期間每天記錄一次巷道測點(diǎn)頂?shù)缀蛢蓭鸵平?，從而研究隨工作面回采巷道位移量動(dòng)態(tài)變化特征。91-205風(fēng)巷和91-203運(yùn)巷測點(diǎn)頂?shù)缀蛢蓭鸵平侩S工作面回采動(dòng)態(tài)變化趨勢如圖3、圖4所示。由圖3、圖4可知：

圖3 91-205風(fēng)巷測點(diǎn)位移量隨工作面回采動(dòng)態(tài)變化趨勢

圖4 91-203運(yùn)巷測點(diǎn)位移量隨工作面回采動(dòng)態(tài)變化趨勢

1) 91-205風(fēng)巷測點(diǎn)距工作面距離從50 m減小到30 m時(shí)，兩幫移近量從56 mm增加到60 mm，增加了4 mm，頂?shù)装逡平繌?8 mm增加到86 mm，增加了8 mm。在這個(gè)過程中，巷道變形量受采動(dòng)的影響較小。隨著91-205工作面回采的進(jìn)行，測點(diǎn)距工作面距離從30 m減小到0 m時(shí)，兩幫移近量從60 mm增加到98 mm，增加了38 mm，頂?shù)装逡平繌?6 mm增加到117 mm，增加了31 mm。此階段巷道變形明顯大于前一階段，兩幫和頂?shù)装逡平垦杆僭黾樱砻飨锏绹鷰r變形受回采的影響較大。因此，實(shí)際回采時(shí)，在超前工作面0～30 m范圍內(nèi)可視為重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域，對于可能發(fā)生的巷道圍巖變形加劇的情況及時(shí)進(jìn)行單體柱補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

2) 91-203運(yùn)巷測點(diǎn)從超前工作面30m到滯后工作面30m時(shí)，兩幫移近量從57 mm增加到99 mm，增加了42 mm，頂?shù)装逡平繌?9 mm增加到111 mm，增加了32 mm，此階段兩幫移近量和頂?shù)装逡平渴冀K增加。測點(diǎn)滯后工作面距離從30m增加到40m時(shí)，兩幫移近量和頂?shù)装逡平繋缀醪话l(fā)生變化。因此，在實(shí)際回采時(shí)，要緊密監(jiān)測相鄰工作面巷道變形，尤其是工作面前后30 m范圍。

2.2.2 巷道應(yīng)力動(dòng)態(tài)特征分析

91-205工作面回采時(shí)，頂板的垂直應(yīng)力分布如圖5所示。由圖5可知：

圖5 回采時(shí)頂板垂直應(yīng)力的動(dòng)態(tài)分布

1) 超前支承壓力集中系數(shù)的大小為1.4～2.1。隨工作面回采，超前支承壓力集中系數(shù)最大值逐漸增大。超前支承壓力的影響范圍為30 m，大于30 m基本處于原巖應(yīng)力狀態(tài)。

2) 隨工作面回采，采空區(qū)垮落的矸石逐漸被壓實(shí)，應(yīng)力逐漸增加。同時(shí)，相鄰巷道護(hù)巷的煤柱壓力逐漸增加。

3 91-205風(fēng)巷現(xiàn)場礦壓監(jiān)測

為研究91采區(qū)巷道圍巖在回采期間礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，選取91-205風(fēng)巷對圍巖表面位移、錨桿載荷、單體柱壓力等進(jìn)行觀測。

3.1 表面位移監(jiān)測

在91-205風(fēng)巷中，超前工作面30 m，每隔10 m設(shè)置一個(gè)表面位移測站，共設(shè)置3個(gè)測站(如圖1所示)。

在工作面回采過程中，三個(gè)測站的巷道頂?shù)装?、兩幫移近量和工作面距離關(guān)系如圖6所示。

圖6 回采巷道圍巖變形變化曲線

由圖6可知：隨著工作面回采，風(fēng)巷測站離工作面越來越近，巷道圍巖的累積變形量及圍巖變形速度也越來越大。1號(hào)測站兩幫觀測期間累積移近量為248 mm，頂?shù)桌鄯e移近量為349 mm；2號(hào)測站兩幫觀測期間累積移近量為252 mm，頂?shù)桌鄯e移近量為414 mm；3號(hào)測站兩幫觀測期間累積移近量為308 mm，頂?shù)桌鄯e移近量為414 mm。在30～50 m范圍內(nèi)，巷道變形緩慢；在0～30 m范圍，巷道圍巖變形劇烈。

3.2 錨桿無損檢測

在工作面前方35 m范圍內(nèi)，使用CMW3.7礦用本安型錨桿無損檢測儀，檢測工作面回采期間錨桿載荷。

回采期間錨桿軸力檢測結(jié)果見表1，軸力分布如圖7所示。從圖7可以看出，3.33%的錨桿受力為2～4 t，33.33%的錨桿受力為4～6 t，46.67%的錨桿受力為6～10 t，16.67%的錨桿受力大于10 t，在回采過程中巷道錨桿受力較大。16.67%的錨桿受力大于10 t，這些錨桿主要集中在工作面超前壓力峰值區(qū)內(nèi)。在回采期的巷道中錨桿的受力普遍比較大，受力分布區(qū)間在6～10 t之間。

圖7 回采期錨桿受力分布

表1 回采期錨桿軸力檢測結(jié)果

4 結(jié) 語

1) 通過數(shù)值模擬可知，在實(shí)際回采時(shí)，在超前工作面0～30 m范圍內(nèi)為動(dòng)壓影響區(qū)，可視為重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域，對于此段巷道圍巖變形加劇的情況及時(shí)進(jìn)行單體柱補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

2) 通過對相鄰工作面巷道91-203運(yùn)巷觀測可知受回采動(dòng)壓影響巷道91-203運(yùn)巷局部有變形，尤其是91-205工作面回采點(diǎn)前后30 m范圍是相鄰巷道變形劇烈區(qū)域。

3) 通過現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)，隨著工作面回采，風(fēng)巷測站離工作面越來越近，巷道圍巖的累積變形量及圍巖變形速度也越來越大。