張明亮

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)煤峪口礦，山西 大同 037003）

0 引 言

能源賦存結(jié)構(gòu)特征決定了我國在煤炭方面的依賴遠(yuǎn)大于其他能源，雖然國家大力推廣能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，但煤炭仍占據(jù)著能源結(jié)構(gòu)的半壁江山[1-2]。目前隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，煤炭開采強(qiáng)度和需求量不斷增大，由于礦井采掘接替規(guī)劃問題，在工作面接替時會出現(xiàn)鄰近采空區(qū)工作面，受鄰近采空區(qū)影響，該工作面鄰近采空區(qū)側(cè)巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜、礦壓顯現(xiàn)劇烈的特點(diǎn)，導(dǎo)致其面臨著許多技術(shù)和難題[3-4]。工作面回采后在采空區(qū)形成側(cè)向采空區(qū)殘余支承應(yīng)力，鄰近工作面回采巷道易布置在高應(yīng)力環(huán)境下，巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，易出現(xiàn)大變形現(xiàn)象[5-6]。

研究表明，護(hù)巷煤柱寬度和支護(hù)技術(shù)是影響采空區(qū)側(cè)巷道圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵性因素，針對煤柱的留設(shè)與巷道支護(hù)技術(shù)，國內(nèi)外專家學(xué)者進(jìn)行了大量研究，如陸士良等[7]研究了不同護(hù)巷煤柱寬度下巷道圍巖變形量，并擬合了相關(guān)公式，柏建彪等[8]研究了煤柱寬度、煤層性質(zhì)與支護(hù)強(qiáng)度之間的相互關(guān)系，合理確定了綜放工作面的護(hù)巷煤柱寬度，張海慶等[9]通過分析了深部動壓影響巷道變形規(guī)律，以位移速度劃分了巷道變形區(qū)域，提出了剛?cè)岵?jì)、穩(wěn)定控制的支護(hù)原則和高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)技術(shù)。

本文以煤峪口礦8701 工作面5701 巷為工程背景，8701 工作面5701 巷鄰近永定莊礦81006 采空區(qū)，受采空區(qū)殘余支承應(yīng)力影響，巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，基于此，提出鄰近采空區(qū)巷道非對稱差異性支護(hù)技術(shù)，模擬分析了非對稱支護(hù)技術(shù)的優(yōu)越性，為類似地質(zhì)條件下采空區(qū)側(cè)巷道掘進(jìn)支護(hù)提供技術(shù)參考。

1 工程概況

煤峪口礦8701 工作面開采11 號煤層，屬于900水平307 盤區(qū)首采工作面，工作面北方向?yàn)楸迸c盤區(qū)巷道，東為未布置的8703 工作面，南為永定莊礦81002 和81004 采空區(qū)，西為永定莊礦81006 采空區(qū)，工作面平均埋深350 m，圖1 給出了煤峪口礦8701 工作面采掘平面示意圖。工作面開采的區(qū)域煤層平均厚度4.53 m，平均傾角4°，煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤體呈原生結(jié)構(gòu)，裂隙不發(fā)育，屬于穩(wěn)定可采煤層，煤層直接頂為平均厚度1.40 m 的粉砂巖，呈深灰色，膠結(jié)松軟，普氏系數(shù)約16，基本頂為平均厚度24.4 m 的互層結(jié)構(gòu)，以粉砂巖為主，含少量細(xì)砂巖，呈淺灰白色，組織致密，普氏系數(shù)在18 以上，直接底為平均厚度4.0 m 的細(xì)砂巖，呈灰白色，以石英為主，水平層理結(jié)構(gòu)，普氏系數(shù)14 左右，具體頂?shù)装鍘r性見表1。根據(jù)采掘設(shè)備安全需求，煤峪口礦8701 工作面5701 巷設(shè)計為矩形斷面，掘進(jìn)寬度4.0 m，掘進(jìn)高度3.0 m。

圖1 煤峪口礦8701 工作面采掘平面示意圖

表1 頂?shù)装鍘r性特征表

2 鄰近采空區(qū)巷道非對稱差異性支護(hù)技術(shù)

2.1 試驗(yàn)巷道護(hù)巷煤柱寬度確定

5701 巷鄰近永定莊礦81006 采空區(qū)，工作面埋深350 m 左右，原巖應(yīng)力約8.5 MPa。基于5701 巷具體生產(chǎn)地質(zhì)條件，采用FLAC 數(shù)值模擬軟件模擬分析了81006 采空區(qū)側(cè)向煤巖體垂直應(yīng)力分布情況，如圖2 所示。

圖2 采空區(qū)側(cè)向煤巖體垂直應(yīng)力分布情況

理論研究表明，工作面回采后，采空區(qū)側(cè)形成應(yīng)力降低區(qū)、支承應(yīng)力增高區(qū)與原巖應(yīng)力區(qū)[10]。采空區(qū)側(cè)工作面布置時，原則上應(yīng)避開支承應(yīng)力增高區(qū)，避免巷道處于高應(yīng)力環(huán)境，考慮到資源回收問題，5701巷設(shè)計25 m 寬煤柱。由圖2 可知，支承應(yīng)力增高區(qū)集中在距81006 采空區(qū)側(cè)5～20 m 的區(qū)域，留設(shè)的煤柱使5701 巷處于原巖應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力環(huán)境較優(yōu)越。

2.2 鄰近采空區(qū)巷道非對稱差異性支護(hù)技術(shù)

5701 巷頂板賦存普氏系數(shù)18 以上的互層結(jié)構(gòu)，其具備良好的承載性能，考慮巷道鄰近永定莊礦81006 采空區(qū)，因此，設(shè)計提出鄰近采空區(qū)巷道非對稱差異性支護(hù)技術(shù)，見圖3 所示。

圖3 巷道支護(hù)斷面圖

1）頂板采用錨桿+鋼筋梯+錨索+W 鋼帶+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)方式，采用規(guī)格φ22 mm、L2.2 m 的左旋錨桿，間排距0.8 m×1.0 m，每排6 根，錨桿配套1支K2335（里側(cè)）、1 支Z2360（外側(cè)）樹脂錨固劑，錨桿采用鋼筋梯連接，錨索采用規(guī)格為φ18.9 mm、L6.2 m 的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，間排距1.8 m×2.0 m，每排2 根，錨索配套1 支K2330（里側(cè)）、2 支Z2360（外側(cè)）樹脂錨固劑，錨索采用W 鋼帶連接，金屬網(wǎng)采用鋼筋網(wǎng)，由6 mm 的鋼筋焊接，規(guī)格4.0 m×1.1 m。

2）煤柱幫采用錨桿+鋼筋梯+錨索+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)方式，錨桿采用規(guī)格φ22 mm、L2.2 m 的左旋錨桿，間排距0.8 m×1.0m，每排4 根，錨桿配套1支K2335（里側(cè)）、1 支Z2360（外側(cè)）樹脂錨固劑，錨桿采用鋼筋梯連接，錨索采用規(guī)格為φ17.8 mm、L4.2 m 的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，間排距1.0 m×2.0 m，呈三花布置，錨索配套1 支K2330（里側(cè)）、2 支Z2360（外側(cè)）樹脂錨固劑，金屬網(wǎng)采用菱形網(wǎng)，由10 號鐵絲編制，規(guī)格3.0 m×1.1 m。

3）實(shí)煤體幫采用錨桿+鋼筋梯+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)方式，錨桿采用規(guī)格φ20 mm、L2.0 m 的左旋錨桿，間排距0.8 m×1.0 m，每排4 根，錨桿配套1 支K2335（里側(cè)）、1 支Z2360（外側(cè)）樹脂錨固劑，錨桿采用鋼筋梯連接，金屬網(wǎng)采用菱形網(wǎng)，由10 號鐵絲編制，規(guī)格3.0 m×1.1 m。

2.3 非對稱支護(hù)數(shù)值模擬分析

為進(jìn)一步論證非對稱支護(hù)技術(shù)的優(yōu)越性，以煤峪口礦8701 工作面5701 巷實(shí)際生產(chǎn)地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，以2.2 節(jié)提到的支護(hù)技術(shù)參數(shù)作為非對稱支護(hù)技術(shù)時采用的參數(shù)，以兩幫支護(hù)技術(shù)參數(shù)相同（均為實(shí)煤體支護(hù)技術(shù)參數(shù)）作為對稱支護(hù)技術(shù)是采用的參數(shù)，采用FLAC 數(shù)值模擬軟件，模擬分析了對稱支護(hù)和非對稱支護(hù)時巷道圍巖應(yīng)力演化與塑性區(qū)分布情況。

圖4 給出了對稱支護(hù)和非對稱支護(hù)下巷道圍巖應(yīng)力分布結(jié)果，由圖可知，采用非對稱支護(hù)技術(shù)時，巷道掘進(jìn)穩(wěn)定后，煤柱內(nèi)應(yīng)力分布、峰值區(qū)范圍與對稱支護(hù)下基本相同，應(yīng)力峰值約22 MPa，煤柱內(nèi)應(yīng)力集中系數(shù)約2.59，非對稱支護(hù)技術(shù)下巷道圍巖側(cè)應(yīng)力集中范圍相比于對稱支護(hù)下較小，巷道圍巖應(yīng)力集中區(qū)域在巷幫2～3 m 范圍。

圖4 不同支護(hù)參數(shù)下巷道圍巖應(yīng)力分布

圖5 給出了對稱支護(hù)和非對稱支護(hù)時巷道圍巖塑性區(qū)分布結(jié)果，由圖可知，采用非對稱支護(hù)技術(shù)時，巷道頂板、頂板和實(shí)煤體幫塑性區(qū)分布范圍與對稱支護(hù)技術(shù)時基本相同，頂板塑性區(qū)范圍約2 m，底板塑性區(qū)范圍約1.5 m，實(shí)煤體幫塑性區(qū)范圍在2.5～4.5 m，雖然塑性區(qū)范圍類似，但其圍巖破壞方式存在較大差異，非對稱支護(hù)技術(shù)時巷道頂板剪切破壞范圍小于較對稱支護(hù)技術(shù)時，底角拉伸破壞范圍較對稱支護(hù)技術(shù)時減小1.0 m，同時煤柱幫塑性區(qū)范圍差異性較大；采用對稱支護(hù)時煤柱幫塑性區(qū)范圍在5～8 m，采用非對稱支護(hù)時幫塑性區(qū)范圍在3～6 m，因此非對稱支護(hù)技術(shù)控制效果相對更好。

圖5 不同支護(hù)參數(shù)下巷道圍巖應(yīng)力分布

綜上所述，采用對稱支護(hù)技術(shù)與非對稱支護(hù)技術(shù)時巷道圍巖應(yīng)力演化規(guī)律類似，從破壞方式和煤柱幫塑性區(qū)控制效果來看，非對稱支護(hù)技術(shù)控制效果相對更好，同時，模擬結(jié)果顯示巷道煤柱幫應(yīng)力較實(shí)煤體側(cè)應(yīng)力較大，且煤柱幫塑性區(qū)范圍明顯較大，因此煤柱幫圍巖控制難度相對較大，更應(yīng)對煤柱幫進(jìn)行必要的加強(qiáng)支護(hù)。

3 圍巖控制效果分析

將提出的鄰近采空區(qū)巷道非對稱差異性支護(hù)技術(shù)應(yīng)用于煤峪口礦8701 工作面5701 巷掘進(jìn)支護(hù)中，同時，監(jiān)測了5701 巷圍巖變形情況，巷道頂板、實(shí)煤體幫及煤柱幫變形結(jié)果見圖6-圖8 所示，

圖6 5701 巷頂板下沉曲線圖

圖8 5701 巷煤柱幫移近曲線圖

圖7 5701 巷實(shí)煤體幫移近曲線圖

由圖可知，5701 巷掘巷后圍巖變形大概可分為圍巖應(yīng)力突變-快速失穩(wěn)階段、圍巖應(yīng)力調(diào)整-失穩(wěn)調(diào)整階段、圍巖應(yīng)力穩(wěn)定-變形穩(wěn)定階段3 個階段。圍巖應(yīng)力突變-快速失穩(wěn)階段是5701 巷掘進(jìn)初期，巷道開挖導(dǎo)致圍巖應(yīng)力突變，短時間內(nèi)圍巖出現(xiàn)快速失穩(wěn)現(xiàn)象，該階段圍巖出現(xiàn)較大變形，變形集中在掘巷45 d 內(nèi)，該階段巷道頂板、煤柱幫、實(shí)煤體幫移近速度分別約2.45、2.3、1.73 mm/d；圍巖應(yīng)力調(diào)整-失穩(wěn)調(diào)整階段是5701 巷掘進(jìn)一定時間后（掘巷45～90 d 內(nèi)），圍巖應(yīng)力重新分布，圍巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)得到調(diào)整，該階段巷道變形減緩，巷道頂板、煤柱幫、實(shí)煤體幫移近速度降低至1.47、1.27、0.98 mm/d，圍巖應(yīng)力穩(wěn)定- 變形穩(wěn)定階段（掘巷90 d 后）是巷道圍巖結(jié)構(gòu)得到有效調(diào)整，圍巖逐漸穩(wěn)定，巷道頂板、煤柱幫、實(shí)煤體幫移近速度均趨于0 mm/d，5701 巷掘巷穩(wěn)定后，巷道頂板、煤柱幫、實(shí)煤體幫移近量穩(wěn)定在182、161、122 mm 左右，煤柱幫變形相對較大，但在可控范圍內(nèi)。

4 結(jié) 論

1）鄰近采空區(qū)巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，易產(chǎn)生大變形現(xiàn)象，以煤峪口礦8701 工作面5701 巷為工程背景，分析了采空區(qū)側(cè)向煤巖體垂直應(yīng)力分布特征，確定試驗(yàn)巷道護(hù)巷煤柱寬度為25 m，基于此，提出了鄰近采空區(qū)巷道非對稱差異性支護(hù)技術(shù)。

2）對比分析了對稱支護(hù)與非對稱支護(hù)時巷道圍巖應(yīng)力與塑性區(qū)分布規(guī)律，從破壞方式和煤柱幫塑性區(qū)控制效果來看，非對稱支護(hù)技術(shù)控制效果相對更好，同時，模擬結(jié)果顯示巷道煤柱幫應(yīng)力較實(shí)煤體側(cè)應(yīng)力較大，且煤柱幫塑性區(qū)范圍明顯較大，因此煤柱幫圍巖控制難度相對較大，更應(yīng)對煤柱幫進(jìn)行必要的加強(qiáng)支護(hù)。

3）將提出的鄰近采空區(qū)巷道非對稱差異性支護(hù)技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用后，5701 巷在掘巷90 d 后圍巖逐漸穩(wěn)定，穩(wěn)定后巷道頂板、煤柱幫、實(shí)煤體幫移近量穩(wěn)定在182、161、122 mm 左右，實(shí)現(xiàn)了煤峪口礦8701工作面5701 巷的穩(wěn)定控制。