劉 學(xué)

(煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京 100013)

煤礦井下開(kāi)采過(guò)程中，為提高煤炭資源回收率，減緩礦井采掘接替緊張局面，近年來(lái)許多礦井在煤巷掘進(jìn)過(guò)程中推廣使用沿空掘巷技術(shù)，即新回采煤巷掘進(jìn)時(shí)，掘進(jìn)巷道與其相鄰已回采巷道保持間隔3～5 m窄煤柱進(jìn)行掘進(jìn)施工，這樣既能減小原采空區(qū)上覆巖層頂板壓力集中的影響，又能減少留設(shè)寬煤柱造成的煤炭資源浪費(fèi)[1-2]。但隨著煤礦井下開(kāi)采力度的不斷增加及大采高厚煤層開(kāi)采技術(shù)的不斷發(fā)展，回采工作面采動(dòng)影響對(duì)巷道圍巖壓力顯現(xiàn)影響越來(lái)越大，窄煤柱沿空掘巷圍巖控制問(wèn)題越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外科研工作者的關(guān)注。本文以靈東煤礦2103軌道巷掘進(jìn)工作面巷道為工程背景，根據(jù)數(shù)值模擬分析和鉆孔成像技術(shù)得到巷道煤柱留設(shè)合理寬度和圍巖松動(dòng)圈厚度，在此基礎(chǔ)上提出巷道支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：優(yōu)化后的支護(hù)方案能夠有效控制巷道圍巖變形，為類似條件下巷道圍巖控制方案的制定提供參考。

1 工程概況

靈東煤礦2103綜采工作面位于礦井二盤(pán)區(qū)，其相鄰的2101工作面、2206上分層工作面、2204上分層工作面和2202上分層工作面均已回采結(jié)束，工作面布置圖如圖1所示。工作面主采3號(hào)煤層，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單至較復(fù)雜，煤層平均厚度5.7 m，煤層煤質(zhì)較為松軟，強(qiáng)度較低，節(jié)理裂隙較發(fā)育。煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖和泥巖結(jié)構(gòu)，平均厚度5.67 m，直接底為泥巖，平均厚度為3.40 m，煤層頂?shù)装寰唧w情況見(jiàn)表1。

圖1 二盤(pán)區(qū)工作面布置

表1 2103工作面煤層頂?shù)装鍘r層特征

為提高礦井煤炭資源采出率，減少資源浪費(fèi)，經(jīng)研究將二盤(pán)區(qū)左翼的幾個(gè)工作面進(jìn)行整合，形成2103和2101后工作面及2202和2206下分層工作面。因此，需要重新布置掘進(jìn)新的回采巷道。受煤層地質(zhì)條件、采空區(qū)上覆巖層圍巖應(yīng)力作用等因素影響，在掘進(jìn)施工期間，21031軌道巷掘進(jìn)工作面巷道頂部及兩幫圍巖破壞變形較為嚴(yán)重，特別是與采空區(qū)相鄰一側(cè)的巷道幫部變形量最大，與臨近實(shí)煤體一側(cè)的巷幫變形形成明顯的非對(duì)稱性。

2 巷道應(yīng)力分布規(guī)律及煤柱合理寬度

2.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)靈東煤礦2103軌道巷實(shí)際地質(zhì)資料，采用FLAC3D建立模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析。建立的模型長(zhǎng)320 m、寬180 m、高50 m。模型4個(gè)側(cè)面水平方向位移約束，底部垂直方向位移約束。因工作面煤層埋深220 m，考慮到巖層上方巖層自重情況，給模型頂部施加12 MPa的垂直應(yīng)力。根據(jù)摩爾—庫(kù)侖模型計(jì)算，工作面煤(巖)體弱化后的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 2103軌道巷圍巖物理力學(xué)參數(shù)

2.2 留設(shè)煤柱寬度分析

根據(jù)對(duì)巷道在3～9 m寬度煤柱下圍巖變化情況的數(shù)值模擬分析，確定巷道留設(shè)煤柱的合理寬度。

2.2.1 不同寬度煤柱巷道圍巖變形情況分析

通過(guò)數(shù)值模擬，整理分析結(jié)果如圖2所示。

由圖2分析可知，巷道圍巖變形量隨著煤柱寬度的增大而減小，由此可知，當(dāng)留設(shè)的煤柱寬度不斷增加時(shí)，巷道圍巖將會(huì)逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，而煤柱側(cè)的煤體也由破碎狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄誀顟B(tài)；當(dāng)煤柱達(dá)到一定寬度后，其能夠?qū)敯迤鸬捷^穩(wěn)定的支撐作用，進(jìn)而把頂板作用在其上的力傳遞到底板上，造成 底鼓量增加。

圖2 巷道圍巖變形量與煤柱寬度變化關(guān)系曲線

2.2.2 不同寬度煤柱煤體應(yīng)力分布規(guī)律

為確定留設(shè)煤柱寬度的合理性，分別對(duì)3～9 m不同寬度下煤柱煤體內(nèi)應(yīng)力分布變化情況進(jìn)行研究分析，監(jiān)測(cè)線設(shè)置在巷道幫部中間位置，觀測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖3 煤柱垂直應(yīng)力分布與煤柱寬度關(guān)系變化曲線

由圖3分析可知，不同寬度的窄煤柱垂直應(yīng)力分布變化曲線呈單峰形狀，且煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力最大值隨著煤柱寬度的增加而不斷增大，最大應(yīng)力值位于煤柱的中間位置。但煤柱寬度在3 m時(shí)，煤柱內(nèi)的最大應(yīng)力值為2.95 MPa，比巷道原巖應(yīng)力值低；當(dāng)煤柱寬度達(dá)到4 m以上時(shí)，煤柱內(nèi)的應(yīng)力最大值都比巷道原巖應(yīng)力值要大；煤柱寬度從4 m增寬達(dá)到5 m時(shí)，煤柱內(nèi)的應(yīng)力最大值由3.96 MPa增大到6.32 MPa，增幅達(dá)到了37.3%，而從5 m以后增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸變緩，其中從8 m增加至9 m時(shí)應(yīng)力峰值最小增幅為9.1%。

2.2.3 煤柱寬度確定

當(dāng)煤柱內(nèi)承載的垂直應(yīng)力大于巷道原巖應(yīng)力時(shí)，表明該寬度煤柱內(nèi)存在有穩(wěn)定的承壓區(qū)域，能夠?qū)敯迤鸬捷^好的支撐作用。煤柱寬度大小與其穩(wěn)定承壓區(qū)寬度變化關(guān)系如圖4所示。

圖4 煤柱寬度與承壓區(qū)寬度關(guān)系變化曲線

由圖4分析可知，煤柱內(nèi)的穩(wěn)定承壓區(qū)域隨著煤柱寬度的增加而增大；當(dāng)煤柱寬度在3～4 m時(shí)，煤柱內(nèi)的穩(wěn)定承壓區(qū)寬度較小，為0～0.1 m，不能起到支撐頂板的作用；當(dāng)煤柱寬度達(dá)到5 m時(shí)，承壓區(qū)寬度由0.1 m增大至2.3 m，占煤柱寬度的46%；當(dāng)煤柱寬度增大至9 m時(shí)，承壓區(qū)寬度增加至6.8 m，占煤柱寬度的75.6%。同時(shí)考慮到煤柱留設(shè)越寬，煤炭資源回收率越低，綜合以上因素，確定煤柱留設(shè)寬度為5 m。

3 巷道圍巖松動(dòng)圈測(cè)試及結(jié)果分析

3.1 測(cè)站設(shè)置

為掌握2103工作面軌道巷圍巖破碎變形情況，利用超聲波監(jiān)測(cè)方法對(duì)巷道圍巖松動(dòng)圈進(jìn)行測(cè)試[3-4]，為此，分別在距21031工作面軌道巷開(kāi)口位置600 m和1 000 m處各布置1個(gè)監(jiān)測(cè)站(圖1)。其中1號(hào)測(cè)站位置處的巷道一幫為實(shí)煤體幫，另一側(cè)為采空區(qū)，中間間隔5m寬煤柱，2號(hào)測(cè)站位置處的巷道兩幫都為實(shí)煤體幫。

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

把利用超聲波對(duì)1號(hào)和2號(hào)測(cè)點(diǎn)鉆孔測(cè)試得到的數(shù)據(jù)全部轉(zhuǎn)換成波速，同時(shí)修正或剔除存在的異常數(shù)據(jù)，將轉(zhuǎn)換后的波速數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，得到的鉆孔深度與波速變化曲線如圖5所示。

根據(jù)圖5可以看出：波速與鉆孔深度基本呈正比關(guān)系，即隨著鉆孔深度的不斷增加，波動(dòng)速度也呈逐漸增大趨勢(shì)，同時(shí)在變化過(guò)程中波速會(huì)在某一點(diǎn)發(fā)生較大的波動(dòng)變化，可以將該點(diǎn)當(dāng)作巷道圍巖松動(dòng)變形破壞區(qū)與完整區(qū)之間的分界點(diǎn)。由圖5分析可知，1號(hào)觀測(cè)站處實(shí)煤體側(cè)巷道圍巖松動(dòng)圈范圍約為1.2 m，煤柱側(cè)巷道圍巖松動(dòng)圈范圍約為1.6 m，據(jù)此可知巷道煤柱幫的圍巖松動(dòng)破壞程度要比實(shí)體煤幫圍巖變形破壞程度要大。由圖5分析可知，在兩幫均為實(shí)煤體中的巷道圍巖，松動(dòng)圈范圍寬度分別為1.0 m和1.1 m，表明在實(shí)煤體中掘進(jìn)出的巷道兩幫圍巖破壞變形程度基本一致，且破壞程度較小。從總體上看，雖然在留設(shè)8 m窄煤柱段掘進(jìn)施工的巷道和在實(shí)煤體中掘進(jìn)的巷道圍巖破壞深度都未超過(guò)2 m，但煤柱側(cè)巷道破壞變形程度要比實(shí)體煤段巷道大，監(jiān)測(cè)分析結(jié)果可以為巷道掘進(jìn)支護(hù)方案設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

圖5 1號(hào)和2號(hào)鉆孔深度與超聲波波速變化關(guān)系曲線

4 非對(duì)稱性巷道圍巖變形機(jī)理及控制對(duì)策

4.1 變形機(jī)理

由于2103軌道巷掘進(jìn)時(shí)采空區(qū)側(cè)的煤柱受到回采工作面采動(dòng)動(dòng)壓影響，其煤體的整體物理力學(xué)性能被減弱。在2103工作面軌道巷是在其相鄰2101工作面上覆巖層基本穩(wěn)定后開(kāi)始進(jìn)行掘進(jìn)施工，此時(shí)巷道的基本頂已經(jīng)發(fā)生過(guò)第1次回轉(zhuǎn)變形，而采空區(qū)側(cè)的煤柱在巷道掘進(jìn)期間則受到了第2次動(dòng)壓影響，其整體強(qiáng)度再次被減弱；當(dāng)2103工作面回采時(shí)，受采動(dòng)影響，工作面基本頂出現(xiàn)第2次回轉(zhuǎn)變形，而采空區(qū)側(cè)煤柱受到第3次動(dòng)壓影響，工作面上覆圍巖多次受到“破壞—穩(wěn)定—再破壞—再穩(wěn)定”的作用，造成采空區(qū)側(cè)煤柱整體支撐強(qiáng)度和能力大幅度減弱進(jìn)入塑性破壞變形狀態(tài)[5-6]，最終導(dǎo)致采空區(qū)側(cè)煤體發(fā)生失穩(wěn)，巷道圍巖破壞變形，且采空區(qū)圍巖破壞變形程度要遠(yuǎn)大于實(shí)煤體側(cè)。工作面圍巖受力情況如圖6所示。

圖6 2103工作面圍巖受力

4.2 控制對(duì)策

沿空掘巷時(shí)，對(duì)其支護(hù)效果起到影響的主要因素有：

(1)巷道支護(hù)體系的非對(duì)稱性。因沿空掘巷時(shí)留設(shè)的煤柱寬度是5 m，屬于窄煤柱，受采掘動(dòng)壓影響，巷道采空區(qū)側(cè)煤體破壞變形程度要比實(shí)煤體側(cè)大得多，在巷掘進(jìn)支護(hù)時(shí)須對(duì)巷道兩幫采用非對(duì)稱支護(hù)措施。

(2)巷道支護(hù)體規(guī)格。根據(jù)對(duì)巷道破壞變形的觀測(cè)結(jié)果分析可知，原巷道支護(hù)采用的規(guī)格為φ20 mm×2 000 mm錨桿存在長(zhǎng)度短、直徑小、錨固效果差等問(wèn)題。為了確定選用錨桿的合理長(zhǎng)度，采用鉆孔成像技術(shù)對(duì)巷道圍巖松動(dòng)圈進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，巷道實(shí)煤體側(cè)的圍巖松動(dòng)圈厚度為1.8～2.2 m，采空區(qū)側(cè)圍巖松動(dòng)圈厚度為1.5～2.4 m。由此可知，在選擇支護(hù)錨桿規(guī)格時(shí)，應(yīng)根據(jù)圍巖松動(dòng)圈的厚度合理增加錨桿的桿徑和長(zhǎng)度。

圖7 巷道圍巖鉆孔成像測(cè)試結(jié)果

(3)巷道支護(hù)體系的預(yù)應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力是影響巷道采用錨網(wǎng)支護(hù)成功的最主要因素之一。在巷道采用錨桿支護(hù)打設(shè)時(shí)，必須達(dá)到一定的預(yù)應(yīng)力，防止巷道在掘進(jìn)成巷初期其圍巖出現(xiàn)破壞變形。

根據(jù)上述分析結(jié)果，2103工作面軌道巷在掘進(jìn)支護(hù)時(shí)對(duì)其支護(hù)方案進(jìn)行了合理優(yōu)化改進(jìn)，提出了非對(duì)稱性差異化支護(hù)方案。

5 巷道支護(hù)方案優(yōu)化

5.1 支護(hù)方案

2103工作面軌道巷掘進(jìn)斷面設(shè)計(jì)為矩形斷面，巷寬4 400 mm，巷高3 700 mm。為減小巷道頂板下沉量和煤柱段巷道幫部變形量，結(jié)合巷道圍巖松動(dòng)圈變化特征，在巷道原支護(hù)方式的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，提出非對(duì)稱差異化支護(hù)方案，即在采空區(qū)側(cè)煤柱幫采用φ22 mm×2 400 mm高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿支護(hù)，錨桿間、排距均為800mm；錨索采用φ18.9mm×4 200 mm的鋼絞線，錨索間排距設(shè)計(jì)為1 800 mm×1 600 mm。在實(shí)煤體幫采用φ22 mm×2 000 mm的玻璃鋼錨桿支護(hù)，間、排距均為800 mm。巷道頂部采用φ22 mm×2 200 mm高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿支護(hù)，間、排距均為800 mm；錨索為φ18.9 mm×7 200 mm的鋼絞線，設(shè)計(jì)間排距為2 400 mm×1 600 mm。施工錨桿索期間同時(shí)配合使用JW型鋼帶梁進(jìn)行護(hù)表。具體支護(hù)方式如圖8所示。

圖8 2103工作面軌道巷支護(hù)斷面示意

5.2 巷道礦壓監(jiān)測(cè)

為掌握巷道圍巖破壞變形情況，采用“十”字交叉法對(duì)巷道頂幫變形量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)收集整理繪制曲線如圖9所示。由圖9可以看出，優(yōu)化前，巷道兩幫變形量在160～198 mm，平均179 mm；巷道頂?shù)装遄冃瘟吭?65～200 mm，平均182.5 mm。巷道支護(hù)方式優(yōu)化后，巷道兩幫位移變化量在75～95 mm，平均85 mm，比優(yōu)化前減少了52.5%；巷道頂?shù)装遄冃瘟吭?3～95 mm，平均69 mm，比優(yōu)化前減少了62.2%。另外，優(yōu)化前，煤柱側(cè)巷道幫部變形量在93～120 mm，平均106.5 mm，實(shí)煤體側(cè)幫部位移量在55～80 mm，平均67.5 mm，兩幫變形量相差39 mm。優(yōu)化后，煤柱側(cè)巷道幫部變形量在40～50 mm，平均45 mm，實(shí)煤體側(cè)幫部變形量25～40 mm，平均32.5 mm，兩幫位移近量相差7.5 mm。由以上分析可知，巷道掘進(jìn)采用優(yōu)化后的支護(hù)方式后，巷道圍巖變形量顯著減少，且兩幫及頂?shù)装遄冃瘟烤谙锏绹鷰r變形安全值允許范圍之內(nèi)，表明優(yōu)化后的支護(hù)方案能夠很好地起到控制圍巖變形的作用。

圖9 優(yōu)化前后幫部和頂?shù)装遄冃瘟繉?duì)比

5.3 巷道圍巖內(nèi)部裂隙變化觀測(cè)

采用鉆孔成像技術(shù)[7-8]分別對(duì)支護(hù)方式優(yōu)化前后巷道圍巖內(nèi)部裂隙發(fā)育情況進(jìn)行觀測(cè)，取巷道圍巖0～2.2 m內(nèi)圍巖巖心，得到如圖10和圖11所示觀測(cè)結(jié)果。由圖10可知，與巷道支護(hù)方式優(yōu)化前相比，支護(hù)方式優(yōu)化后的巷道圍巖裂隙發(fā)育程度明顯比優(yōu)化前要小得多。由圖10觀測(cè)結(jié)果可知，優(yōu)化后的巷道幫部圍巖塌孔現(xiàn)象明顯減少，且煤柱側(cè)的巷道圍巖裂隙發(fā)育程度要比實(shí)體煤側(cè)嚴(yán)重得多。同時(shí)由圖10和圖11可以看出，支護(hù)后的巷道圍巖裂隙發(fā)育大部分集中在距圍巖表面深度1.1 m以內(nèi)，小于巷道兩幫支護(hù)的錨桿長(zhǎng)度，表明打設(shè)的錨桿對(duì)煤幫能夠起到較好的錨固效果。

圖10 4號(hào)測(cè)站處優(yōu)化前后煤柱側(cè)裂縫發(fā)育對(duì)比

圖11 9號(hào)測(cè)站處采空區(qū)側(cè)與實(shí)體煤側(cè)裂隙發(fā)育規(guī)律

6 結(jié)論

(1)根據(jù)數(shù)值模擬分析可知，留設(shè)的煤柱寬度越大，巷道圍巖變形量越??；煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力最大值和煤柱內(nèi)的穩(wěn)定承壓區(qū)范圍大小隨著煤柱寬度的增加而不斷增大；根據(jù)綜合分析結(jié)果，確定2103軌道巷沿空掘進(jìn)留設(shè)的煤柱寬度為5 m。

(2)通過(guò)對(duì)2103軌道巷應(yīng)力分布規(guī)律分析可知，工作面上覆圍巖多次受到“破壞—穩(wěn)定—再破壞—再穩(wěn)定”的作用，造成采空區(qū)側(cè)煤柱整體支撐強(qiáng)度和能力大幅度減弱進(jìn)入塑性破壞變形狀態(tài)，最終導(dǎo)致采空區(qū)側(cè)煤體發(fā)生失穩(wěn)，巷道圍巖破壞變形，且采空區(qū)圍巖破壞變形程度要比實(shí)煤體側(cè)大得多。

(3)根據(jù)2103工作面軌道巷兩幫非對(duì)稱性變形情況，采用非對(duì)稱差異化支護(hù)方式，通過(guò)觀測(cè)結(jié)果表明，優(yōu)化后的支護(hù)方案，巷道兩幫位移變化量在75～95 mm，平均85 mm，比優(yōu)化前減少了52.5%，巷道頂?shù)装逡平吭?3～95 mm，平均69 mm，變化量比優(yōu)化前減少了62.2%；巷道圍巖裂隙發(fā)育大部分集中在距圍巖表面深度1.1 m以內(nèi)，比巷道兩幫支護(hù)的錨桿長(zhǎng)度要小的多。以上觀測(cè)結(jié)果表明巷道圍巖變形得到有效控制。