趙藝偉 吳義泉 唐慶騰

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；2.皖北煤電集團(tuán)朱集西分公司朱集西煤礦，安徽 淮南 232097）

我國(guó)深部巷道圍巖受到典型的“三高一擾動(dòng)”特殊復(fù)雜力學(xué)環(huán)境，即高地應(yīng)力，高地溫、高巖溶水壓以及采掘擾動(dòng)[1-5]。巷道圍巖穩(wěn)定性直接關(guān)系到礦井的安全高效生產(chǎn)。朱集西礦13501 工作面軌道順槽受下方11-2 煤層采動(dòng)影響引起的巷道圍巖問(wèn)題突出，通過(guò)利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行11-2 煤層開(kāi)采對(duì)13501 工作面軌道順槽穩(wěn)定性影響分析，為其優(yōu)化支護(hù)方案提供依據(jù)。

1 工程概況

朱集西煤礦位于安徽省淮南市，礦區(qū)內(nèi)部分巷道實(shí)際布置深度已超過(guò)1000 m。13501 工作面布置在11-2 煤11501、11502 工作面上方，目前11501工作面已經(jīng)回采完畢，11502 工作面正在回采，13501 工作面軌道順槽在掘進(jìn)過(guò)程中的不同階段將受到11-2 煤層開(kāi)采的不同影響。13501 工作面布置平面圖如圖1。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。13-1 煤層全部可采，煤層賦存情況穩(wěn)定。該工作面煤厚3.29～5.31 m，平均煤厚3.86 m。軌道順槽、運(yùn)輸順槽兩巷煤層平均傾角α=5°。

圖1 13501 工作面布置平面圖

2 數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值模擬模型建立

根據(jù)13501 工作面地質(zhì)采礦條件，建立FLAC3D數(shù)值分析模型。模型沿x 軸正方向依次為煤層邊界、11501 回采工作面、區(qū)段煤柱、11502 回采工作面、煤層邊界，模型中回采工作面長(zhǎng)度均取214 m，留設(shè)8 m 小煤柱，煤層邊界各取102 m，故模型x 方向?qū)?40 m。工作面沿y 軸正方向推進(jìn)，模型y 方向長(zhǎng)度為900 m，模型沿y 軸正方向?qū)?1502 工作面劃分為16 個(gè)塊體，每次回采100 m，模擬11502工作面分步開(kāi)挖。模型高度方向即z 方向長(zhǎng)度為150 m。11-2 煤與13-1 煤垂直距離為70 m。建立的數(shù)值模型及巖層劃分情況如圖2。

圖2 FLAC3D 三維數(shù)值模型圖

根據(jù)朱集西礦工作面回采情況，模型先一次性開(kāi)挖11501 工作面，然后分步開(kāi)挖11502 工作面（每次挖100 m）。模型在13-1 煤層設(shè)置了5 條監(jiān)測(cè)線。第1 條監(jiān)測(cè)線位于y=400 m 平面上，沿x 方向每隔40 m 布置測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)模型中部13-1 煤下沉量；第2條監(jiān)測(cè)線位于x=361 m 平面上，沿y 方向每隔100 m 布置測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)11502 工作面上方13-1 煤下沉量；第4、5條監(jiān)測(cè)線分別位于y=425 m、y=825 m平面上，沿x 方向每隔40 m 布置測(cè)點(diǎn)，分別監(jiān)測(cè)模型中部、11502 工作面上方13-1 煤層垂直應(yīng)力。

2.2 11-2 煤層開(kāi)采對(duì)13-1 煤層應(yīng)力變化規(guī)律的影響分析

首先采用model null 命令刪除11501 工作面單元格模擬開(kāi)挖。11501 工作面開(kāi)挖后分別沿煤層走向垂直煤層和沿煤層走向平行煤層選取兩個(gè)剖面觀察垂直應(yīng)力分布，11501 工作面回采結(jié)束后剖面垂直應(yīng)力分布如圖3、圖4。

圖3 沿走向垂直煤層剖面垂直應(yīng)力圖（MPa）

圖4 沿走向平行煤層剖面垂直應(yīng)力圖（MPa）

如圖3 所示，11501 工作面回采后，采空區(qū)上方巖層垂直應(yīng)力下降，而停采線煤柱側(cè)巖層產(chǎn)生應(yīng)力集中，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力最大值可達(dá)45.8 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.2。煤柱側(cè)上方13501 軌道順槽所在的位置最大垂直應(yīng)力大約為25 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)約為1.2，而位于采空區(qū)上方巷道段應(yīng)力是降低的。圖4 所示為11501 工作面回采對(duì)整個(gè)13-1 煤層的應(yīng)力重新分布情況，11501 工作面回采后在采空區(qū)兩側(cè)形成側(cè)向支承壓力區(qū)，同時(shí)在采空區(qū)前方即煤柱上方形成應(yīng)力集中區(qū)，而在采空區(qū)上方為應(yīng)力降低區(qū)，采空區(qū)上方13501 工作面軌道順槽垂直應(yīng)力平均為18 MPa。

圖5 為沿煤層傾向y=425 m 測(cè)線垂直應(yīng)力變化圖，通過(guò)這條測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)模型中部13-1 煤層不同水平位置垂直應(yīng)力分布。

圖5 沿煤層傾向y=425 m 測(cè)線垂直應(yīng)力變化圖

如圖5，左側(cè)實(shí)煤體應(yīng)力在回采11501 工作面時(shí)有緩慢的增長(zhǎng)，在靠近采空區(qū)的實(shí)煤體造成了應(yīng)力集中，過(guò)渡到采空區(qū)時(shí)應(yīng)力降低。當(dāng)x=168 m 時(shí)應(yīng)力值降低到最低17 MPa 時(shí)，在x=（102，316）m 的范圍內(nèi)，應(yīng)力值均有不同程度的降低，而在過(guò)渡到小煤柱時(shí)，小煤柱上再次出現(xiàn)了應(yīng)力集中。隨著距采空區(qū)的距離越來(lái)越遠(yuǎn)，11502 工作面未回采，包括右側(cè)的實(shí)煤體，應(yīng)力逐漸恢復(fù)到初始應(yīng)力，這就是13501 軌道順槽巷道幫部以及肩窩和底角變形大的原因。11501 工作面的回采，會(huì)在實(shí)煤體以及小煤柱的地方形成應(yīng)力集中，其中最大值達(dá)到了27 MPa。在回采11502 工作面的前兩個(gè)塊體時(shí)，由于只回采了100 m，采動(dòng)影響并沒(méi)有影響到測(cè)線所在的位置，所以測(cè)線上的應(yīng)力值基本無(wú)變化，但可以用來(lái)和后面的回采塊體做對(duì)比。從曲線11502-8 可以看出，在回采完七八塊體時(shí)，對(duì)11501 回采工作面采空區(qū)以及該工作面的前方均產(chǎn)生了一定的超前影響。在繼續(xù)回采下兩個(gè)塊體時(shí)，相鄰工作面的應(yīng)力升高，而回采過(guò)后采空區(qū)的應(yīng)力降低，說(shuō)明該工作面開(kāi)采對(duì)相鄰工作面的影響在工作面后方。同時(shí)也可以看出，在這條所測(cè)線在位置的實(shí)煤體側(cè)應(yīng)力也受到了影響，形成支承壓力區(qū)，應(yīng)力升高，呈現(xiàn)出與左側(cè)實(shí)煤體側(cè)一樣的規(guī)律。

圖6 為沿煤層傾向y=825 m 處測(cè)線應(yīng)力變化圖，該測(cè)線位于11502 工作面上方。

如圖6 所示，11501 回采工作面回采結(jié)束后，煤層受到采動(dòng)影響應(yīng)力重新分布，在煤柱上方形成了支承壓力區(qū)，最大應(yīng)力值達(dá)到了25 MPa。在回采11502 工作面時(shí)，除去最后兩個(gè)塊體，其余塊體開(kāi)采并不能影響到該測(cè)線應(yīng)力變化，因此只分析11502-16 這條曲線。從圖上可以得出，在11502 全部回采結(jié)束后，對(duì)11501 回采工作面前方的煤柱和兩個(gè)工作面之間的小煤柱產(chǎn)生疊加影響，應(yīng)力值增大，同時(shí)該工作面的前方煤柱也出現(xiàn)了應(yīng)力增大，形成了支承壓力區(qū)。

圖6 沿煤層傾向y=825 m 測(cè)線應(yīng)力變化圖

2.3 11-2 煤層開(kāi)采對(duì)13-1 煤層位移變化規(guī)律的影響分析

從圖7 中曲線11501 回采可以看出，11501 工作面回采形成采空區(qū)引起上覆巖層垮落造成巖層下沉，在此模擬中監(jiān)測(cè)的只是13#煤層的整體下沉量。在11501 工作面回采結(jié)束后，13#煤層整體處于下沉狀態(tài)，最大下沉值達(dá)到了1.48 m。在達(dá)到最大下沉處的兩側(cè)，煤層下沉量逐漸減小，而在實(shí)煤體處最大下沉量只有 0.5 m。其中11501 工作面的回采并未影響到11502 工作面上方13#煤層所在的位置。由于測(cè)線設(shè)置在x=400 m 處，所以在回采11502 工作面前6 個(gè)塊體時(shí)，該測(cè)線所在位置的煤層并沒(méi)有下沉。在回采第七和第八塊體時(shí)，剛好回采到測(cè)線所在的位置。11501 回采工作面上方的煤層達(dá)到最大下沉的地方后不再下沉，說(shuō)明在此處達(dá)到了充分采動(dòng)，而在最大下沉的右側(cè)并未達(dá)到充分采動(dòng)，所以還有輕微的下沉量。11502 工作面回采產(chǎn)生的超前采動(dòng)影響使測(cè)線所在位置的13#煤層下沉，但影響較小，并未達(dá)到充分采動(dòng)。11502 工作面繼續(xù)回采，在11#煤層形成采空區(qū)，上覆巖層垮落，測(cè)線所在的13#煤層下沉，最大下沉量達(dá)到了1.11 m。

圖7 沿煤層傾向y=400 m 測(cè)線下沉量變化圖

圖8 為監(jiān)測(cè)11501 工作面回采結(jié)束后進(jìn)行11502 工作面回采對(duì)11501 工作面上方13#煤層下沉量的影響。在 11501 工作面回采結(jié)束后，對(duì)該測(cè)線所在位置的13#煤層下沉影響只有0.24 m，并且越靠近11502 工作面煤柱側(cè)采動(dòng)影響越小，下沉量也就越小。11502 工作面回采前兩個(gè)塊體后形成采空區(qū)，13#煤層出現(xiàn)明顯的下沉，采空區(qū)側(cè)下沉量最大，最大下沉值達(dá)到1.0 m。同時(shí)產(chǎn)生超前采動(dòng)影響，使得前方未回采的11#煤上方13#煤層繼續(xù)下沉，但下沉量較小，超前影響范圍在125 m 左右。從豎直方向來(lái)比較，沒(méi)有達(dá)到充分采動(dòng)的位置點(diǎn)會(huì)繼續(xù)受到11502 工作面回采的影響，達(dá)到最大下沉值1.2 m。靠近11502 工作面停產(chǎn)線的地方形成三角塊結(jié)構(gòu)，不能被壓實(shí)，所以測(cè)線點(diǎn)下沉量較小，并且應(yīng)力值也是最低的。

圖8 沿煤層走向x=361 m 測(cè)線下沉量變化圖

3 深井動(dòng)壓巷道支護(hù)技術(shù)方案

基于深井動(dòng)壓巷道圍巖變形控制技術(shù)，13501工作面軌道順槽支護(hù)方案如下：

（1）巷道頂部采用Φ22 mm×2800 mm 左旋無(wú)縱筋高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)加鋼塑網(wǎng)配合M5 鋼帶梁支護(hù)，鋼帶梁為長(zhǎng)5 m 的7 眼M5 鋼帶；巷道幫部也采用頂板相同型號(hào)錨桿，間排距為750 mm×800 mm，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)配合鋼筋梯子梁支護(hù)。錨桿托盤(pán)采用規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm 的鼓形托盤(pán)。

（2）巷道頂部錨索采用SKP22-1/1860 型1×19 股高強(qiáng)錨索，規(guī)格為Φ22 mm×6300 mm，間排距為1200 mm×1600 mm，按5-4-5 交替布置；巷道幫部錨索采用SKP22-1/1860 型1×19 股高強(qiáng)錨索，規(guī)格為Φ22 mm×5000 mm，間排距為1500 mm×1600 mm，按2-1-2 交替布置。錨索托盤(pán)采用300 mm×300 mm×16 mm 鼓形托盤(pán)。

（3）巷道頂部錨桿預(yù)緊力矩400 N?m，幫部錨桿預(yù)緊力矩300 N?m，錨桿錨固力180 kN；錨索預(yù)緊力200 kN。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，采用修正后的錨網(wǎng)支護(hù)設(shè)計(jì)方案后，巷道圍巖變形量幅度減小，頂板淺部變形量由采用之前支護(hù)方案的100 mm 左右變?yōu)?2 mm，深部變形量由之前35 mm 左右變?yōu)?3 mm，兩幫收斂量控制在200 mm 之內(nèi)，底鼓量控制在250 mm 之內(nèi)。

（2）提出了深井動(dòng)壓影響下高強(qiáng)穩(wěn)定性支護(hù)技術(shù)方案，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，巷道圍巖變形得到了有效控制，有效保證了礦井的高效安全生產(chǎn)并且為同類型的深井巷道支護(hù)提供借鑒。