田 泉

(太原東山李家樓煤業(yè)有限公司，山西 太原 030400)

在我國煤礦高產(chǎn)高效開采過程中，巷道穩(wěn)定性控制一直是礦企重點(diǎn)關(guān)心的問題[1-3]，而對于迎采巷道的掘進(jìn)，該問題顯得尤為突出。在兩工作面既有煤柱寬度留設(shè)的條件下，合理的選擇掘巷時(shí)機(jī)以及對迎采巷道主要應(yīng)力影響區(qū)進(jìn)行合理有效的支護(hù)是有效控制巷道穩(wěn)定性的重要保障[4-6]。在這方面的研究中，袁振華[7]研究了迎采動(dòng)面沿空掘巷圍巖應(yīng)力分布特征及圍巖控制方法，提出了“錨網(wǎng)索+單體液壓支柱+π型梁”聯(lián)合支護(hù)方法；王潔[8]研究了迎采巷道圍巖應(yīng)力、圍巖變形、支護(hù)強(qiáng)度三者協(xié)調(diào)關(guān)系，提出了合理的采動(dòng)影響下的巷道圍巖控制技術(shù),保障了工作面安全開采；郭重托[9]分析了不同煤柱寬度工作面回風(fēng)巷圍巖承載演化規(guī)律,提出迎采巷道采用“錨桿索+單體液壓支柱+π型梁”補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)技術(shù)。綜合文獻(xiàn)分析，對于迎采巷道穩(wěn)定性控制研究主要在于合理的支護(hù)手段。本文以某礦迎采巷道掘進(jìn)為工程背景，對巷道變形及應(yīng)力分布特征進(jìn)行了分析，據(jù)此提出合理的巷道穩(wěn)定性控制方法，以保障迎采巷道的穩(wěn)定性。

1 工程概況

某礦主采5號煤層，采用大采高綜合機(jī)械化采煤工藝，煤層平均厚5.2 m，傾角1～8°，煤層結(jié)構(gòu)簡單，屬于典型的緩傾斜厚煤層，煤層頂板主要為泥巖與細(xì)粒砂巖，底板主要為砂質(zhì)泥巖與泥巖，煤層綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 煤層綜合柱狀圖

目前，該5號煤層主采5105與5107工作面，兩工作面間留有30 m厚的保護(hù)煤柱，兩工作面的位置關(guān)系如圖2所示。5107工作面斜長230 m，走向長1 100 m，5105回風(fēng)巷道迎著5107工作面回采方向掘進(jìn)，屬于典型的迎采巷道。在采動(dòng)應(yīng)力作用下，5105回風(fēng)巷道穩(wěn)定性易受到臨近5107工作面回采影響，導(dǎo)致迎采巷道變形發(fā)展加劇。

圖2 工作面位置關(guān)系

2 迎采巷道變形特征分析

為研究迎采巷道變形特征，采用十字布點(diǎn)監(jiān)測法對5105回風(fēng)巷道進(jìn)行位移監(jiān)測(巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平?，在距臨近5107工作面端部200 m位置布置2個(gè)監(jiān)測基點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)間距10 m，監(jiān)測點(diǎn)布置情況如圖3所示。根據(jù)測點(diǎn)與臨近工作面距離的不同，設(shè)置不同的監(jiān)測周期，當(dāng)距離小于10 m時(shí)，每天監(jiān)測2次；當(dāng)距離為10～20 m時(shí)，每天監(jiān)測1次；當(dāng)距離為20～60 m時(shí)，每兩天監(jiān)測1次；當(dāng)距離大于60 m時(shí)，每周監(jiān)測1次。

圖3 迎采巷道監(jiān)測點(diǎn)布置圖

隨5107工作面推進(jìn)，監(jiān)測點(diǎn)1所在位置的巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平孔兓闆r如圖4所示。迎采巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平勘憩F(xiàn)為緩慢增加—?jiǎng)×以黾印徛黾拥淖兓卣?。采?dòng)應(yīng)力對迎采巷道的影響起點(diǎn)距1507工作面約50 m，工作面后方0～35 m范圍影響劇烈；滯后工作面35～140 m范圍，迎采巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平烤徛黾?；滯后工作?40 m以外，位移變化趨于平穩(wěn)，此時(shí)迎采巷道頂?shù)装遄畲笠平繛?45 mm，兩幫最大移近量為275 mm.

圖4 監(jiān)測點(diǎn)1位移監(jiān)測結(jié)果

隨5107工作面推進(jìn)，監(jiān)測點(diǎn)2所在位置的巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平孔兓闆r如圖5所示。

圖5 監(jiān)測點(diǎn)2位移監(jiān)測結(jié)果

采動(dòng)應(yīng)力對迎采巷道的影響起點(diǎn)距5107工作面約55 m，工作面后方0～40 m范圍影響劇烈；滯后工作面40～150 m范圍，迎采巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平烤徛黾?；滯后工作?50 m以外，位移變化趨于平穩(wěn)，此時(shí)迎采巷道頂?shù)装遄畲笠平繛?68 mm，兩幫最大移近量為325 mm.

綜合分析，迎采巷道表現(xiàn)為緩慢—?jiǎng)×摇椒€(wěn)的發(fā)展特征。隨著迎采巷道與臨近工作面距離的減小，巷道受采動(dòng)影響范圍隨之增加。通過對比兩測點(diǎn)監(jiān)測結(jié)果，當(dāng)距離減少10 m時(shí)，巷道位移劇烈增加與緩慢增加影響范圍分別擴(kuò)大5 m，巷道頂?shù)装逡平吭黾?.4%，巷道兩幫移近量增加15.4%.需對超前工作面10 m與滯后工作面30 m范圍內(nèi)迎采巷道進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

3 迎采巷道應(yīng)力分布特征

研究采用FLAC3D軟件，對迎采巷道隨工作面推進(jìn)應(yīng)力變化特征進(jìn)行分析。所構(gòu)建的數(shù)值模型長×寬×高=550 m×300 m×70 m，巷道斷面為寬×高=5.6 m×4.5 m，工作面間保護(hù)煤柱寬30 m，巖體力學(xué)參數(shù)如表1所示。模型底部固定，兩側(cè)邊界進(jìn)行位移約束，共劃分為565 300個(gè)單元，模型頂部施加垂向載荷，載荷等效于上覆巖層重量。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

不同工作面距離條件下迎采巷道垂直應(yīng)力變化情況如圖6所示。隨回采工作面推進(jìn)，應(yīng)力集中部位主要出現(xiàn)在所留煤柱中心位置，整體表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢。在超前工作面10 m與滯后工作面15 m范圍內(nèi)，巷道幫側(cè)應(yīng)力集中程度明顯；當(dāng)迎采巷道滯后工作面距離超過40 m時(shí)，巷道幫側(cè)圍巖及煤柱所有應(yīng)力趨于平穩(wěn)，受采動(dòng)影響程度降低。

圖6 不同工作面距離下垂直應(yīng)力分布圖

不同工作面推進(jìn)距離條件下，迎采巷道圍巖應(yīng)力分布曲線見圖7。當(dāng)5105回風(fēng)巷道滯后工作面15 m范圍內(nèi)，煤柱側(cè)所受應(yīng)力峰值為25 MPa，出現(xiàn)在煤柱內(nèi)側(cè)距5105回風(fēng)巷道約12 m位置，此時(shí)5105回風(fēng)巷道所受應(yīng)力峰值為19.8 MPa，這是最主要的應(yīng)力影響區(qū)；當(dāng)5105回風(fēng)巷道滯后工作面30 m時(shí)，煤柱側(cè)所受應(yīng)力約為15.5 MPa，位于煤柱內(nèi)部15 m位置；當(dāng)5105回風(fēng)巷道滯后工作面超過40 m時(shí)，煤柱應(yīng)力峰值減小為12.5 MPa，位于煤柱內(nèi)部18 m位置。

圖7 不同工作面推進(jìn)距離下圍巖應(yīng)力變化曲線

綜上分析，5107工作面推過5105回風(fēng)巷道前后，煤柱內(nèi)側(cè)約12～18 m范圍應(yīng)力集中顯現(xiàn)劇烈，應(yīng)力表現(xiàn)為先增加后降低的變化特征。在超前工作面10 m與滯后工作面15 m范圍內(nèi)，5105回風(fēng)巷道幫側(cè)應(yīng)力集中程度明顯，應(yīng)力最高可達(dá)19.8 MPa，這個(gè)區(qū)域內(nèi)煤柱及迎采巷道所受應(yīng)力均超過了原巖應(yīng)力，是最主要的應(yīng)力影響區(qū)，需要加強(qiáng)支護(hù)，以保障迎采巷道的穩(wěn)定性。

4 迎采巷道穩(wěn)定性控制方法

根據(jù)前述巷道變形及應(yīng)力分布特征分析結(jié)果，在空間位置關(guān)系上，5015迎采巷道超前5107工作面10 m與滯后工作面30 m范圍內(nèi)，5015回風(fēng)巷道受5107工作面采動(dòng)影響最為嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為巷道所受應(yīng)力與變形均迅速增加。為此，對迎采巷道主要影響范圍(40 m)，研究提出錨桿索+金屬網(wǎng)+鋼筋梯子梁加強(qiáng)支護(hù)方法以控制巷道的穩(wěn)定性。

迎采巷道支護(hù)斷面如圖8所示。頂錨桿直徑22 mm、長度2.5 m，間排距為0.75 m×1 m，錨固長度1.3 m，錨固力120 kN.頂錨索直徑18.9 mm、長度8.3 m，排與排之間采取“232”交錯(cuò)布置方式，即相鄰兩排錨索分別布置2根與3根，3根錨索的排間距為1.6 m×1 m，距幫側(cè)1.2 m，3根錨索的排間距為2 m×1 m，距幫側(cè)1.8 m.錨索錨固長度為1.8 m.回采幫錨桿直徑20 mm，長度2.4 m，錨固力為120 kN，錨桿間排距0.8 m×1 m.由于煤柱所受應(yīng)力較大，在巷道煤柱幫補(bǔ)打兩根錨索，直徑15.24 mm、長5 m，錨索間排距為2.5 m×2 m，錨固長度1.76 m.

圖8 巷道支護(hù)斷面圖(mm)

5 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

為了驗(yàn)證研究提出的迎采巷道穩(wěn)定性控制方法的有效性，迎采巷道主要影響區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)后，對頂板及兩幫錨桿受力情況進(jìn)行了監(jiān)測，同時(shí)對頂板3 m與10 m位置的位移情況進(jìn)行了監(jiān)測，監(jiān)測點(diǎn)布置在5105回風(fēng)巷道加強(qiáng)支護(hù)區(qū)段內(nèi)，距離工作面100 m，監(jiān)測點(diǎn)布置情況如圖9所示。

圖9 5105回風(fēng)巷道監(jiān)測點(diǎn)布置圖

迎采巷道頂板及兩幫錨桿受力監(jiān)測結(jié)果如圖10所示。巷道錨桿受力總體表現(xiàn)為緩慢增長—快速增長—平穩(wěn)發(fā)展的變化特征，其中頂板錨桿受力最大，回采幫錨桿受力最小。當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)距工作面60～100 m時(shí)，錨桿受力緩慢增加，錨桿受力最大為56.3 kN；當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)距工作面30～60 m時(shí)，錨桿受力快速增加，錨桿受力最大為77.5 kN；當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)距工作面10～30 m時(shí)，巷道錨桿受力平穩(wěn)，錨桿受力最大為79.3 kN.綜合分析，工作面推過巷道監(jiān)測點(diǎn)前后，錨桿所有應(yīng)力最高值明顯小于錨桿錨固力(120 kN),錨桿受力狀態(tài)良好，可保障巷道的穩(wěn)定性。

圖10 巷道錨桿受力圖

巷道頂板位移監(jiān)測結(jié)果如圖11所示。隨著巷道監(jiān)測點(diǎn)位置與工作面距離的縮短，頂板不同深度位置的位移主要表現(xiàn)為緩慢增加—快速增加—平穩(wěn)發(fā)展三個(gè)階段，其中頂板10 m深度位置的垂直位移普遍高于3 m深度位置的垂直位移。對于頂板3 m深度位置，最大垂直位移約為89.5 mm；對于頂板10 m深度位置，最大垂直位移約為106.7 mm，與巷道穩(wěn)定性控制方法實(shí)施前相比(268 mm)，頂板垂直位移減小了60.2%，迎采巷道穩(wěn)定性控制效果良好。

圖11 頂板位移監(jiān)測結(jié)果圖

6 結(jié) 語

1) 通過分析迎采巷道變形特征，迎采巷道表現(xiàn)為緩慢—?jiǎng)×摇椒€(wěn)的發(fā)展特征。迎采巷道超前工作面10 m與滯后工作面30 m范圍內(nèi)受采動(dòng)影響最為劇烈，巷道頂?shù)装迮c兩幫最大移近量分別為268 mm與325 mm，需加強(qiáng)支護(hù)。

2) 通過分析迎采巷道應(yīng)力分布特征，5107工作面推過5105回風(fēng)巷道前后，煤柱內(nèi)側(cè)約12～18 m范圍應(yīng)力集中顯現(xiàn)劇烈，應(yīng)力表現(xiàn)為先增加后降低的變化特征。超前工作面10 m與滯后工作面15 m范圍是最主要的應(yīng)力影響區(qū)。

3) 針對迎采巷道主要影響區(qū)段穩(wěn)定性控制需要，研究提出了錨桿索+金屬網(wǎng)+鋼筋梯子梁聯(lián)合支護(hù)方法。通過現(xiàn)場實(shí)踐，錨桿受力最大值約為79.3 kN，小于錨桿的錨固力；頂板最大垂直位移約為106.7 mm，較方案實(shí)施前降低約60.2%，迎采巷道穩(wěn)定性控制效果良好。