石文朋，魏寶貞，李 楠，譚 浩，陳兆生

（兗州煤業(yè)股份有限公司東灘煤礦,山東 鄒城 273500）

0 引言

影響工作面安全生產(chǎn)的不利因素眾多，回采巷道的圍巖變形問題便是其中之一[1-2]。相較于其他危險(xiǎn)因素，圍巖變形問題往往不受到重視，但實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)證明[3-4]大量巷道災(zāi)害的發(fā)生大多是因?yàn)閷?duì)圍巖變形控制不到位，最終演變成頂板事故甚至于沖擊地壓事故等。東灘煤礦1310工作面受地質(zhì)條件限制，設(shè)計(jì)為后期縮面開采工作面，縮面回采改變了工作面原有采寬，也打破了原采動(dòng)平衡狀態(tài)，在此階段受開采條件等多因素耦合影響，工作面輔助軌順圍巖預(yù)計(jì)會(huì)有較大變形，若此類變形不受控制或控制程度較差，將極大威脅工作面安全生產(chǎn)和人員生命安全，因此對(duì)輔助軌順的變形特征和控制方案展開研究具有必要性，對(duì)保障工作面安全生產(chǎn)也具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

1310綜放工作面為“刀把”縮面開采工作面，布置情況見圖1。軌順長(zhǎng)約383.7 m，運(yùn)順長(zhǎng)約310.7 m，正常段軌順與運(yùn)順之間采寬約202.8 m，縮面位置距軌順端切眼約184 m，縮面后輔助軌順與運(yùn)順巷之間采寬約153.2 m，采寬減少了約49.6 m，并在輔助軌順東側(cè)形成了遺留煤柱。輔助軌順采用錨網(wǎng)帶錨索聯(lián)合支護(hù)，頂板每排鋼帶打7根φ22 mm×2 400 mm的左旋無縱筋樹脂錨桿，錨桿間排距750 mm×950 mm，隔排布置3根φ22 mm×8 000 mm錨索，排距1 900 mm；兩幫每排各布置5根間距為850 mm的φ20 mm×2 200 mm錨桿，隔排采用φ22 mm×8 000 mm錨索和短鋼帶聯(lián)合加固支護(hù)。在現(xiàn)支護(hù)條件下圍巖變形量較小，但縮面期間能否繼續(xù)保持穩(wěn)定還需進(jìn)一步分析。

圖1 1310工作面布置平面圖

2 縮面影響下輔助軌順變形特征分析

2.1 巷道變形影響因素

通常來說，回采巷道的變形主要受自然因素和開采因素的影響。自然因素主要包括工作面埋深、圍巖自身力學(xué)參數(shù)、地質(zhì)構(gòu)造等。工作面埋深愈大，巷道所承受的地應(yīng)力愈高，巷道發(fā)生失穩(wěn)變形的概率也愈高；煤巖體自身力學(xué)參數(shù)決定著圍巖強(qiáng)度，煤巖體強(qiáng)度越大，自身的承載力則越高，圍巖則更加穩(wěn)定，相對(duì)于正常巷道來說，軟巖巷道控制難度較大就是由于此原因?qū)е碌模坏刭|(zhì)構(gòu)造對(duì)于圍巖穩(wěn)定的影響主要來自于斷層區(qū)域的活化，斷層活化造成區(qū)域內(nèi)巖體破碎，此區(qū)域的支撐力將大大下降，易出現(xiàn)圍巖大變形的情況，但變形區(qū)域具有局限性。開采因素則包括巷道寬度、巷道高度、采空區(qū)處理方法、采動(dòng)影響等因素。巷道寬度及高度的選擇對(duì)巷道圍巖變形程度有著直接的影響，一般認(rèn)為巷道寬度及高度越大，其變形程度越難控制；直接垮落法處理頂板和采用充填法控制頂板對(duì)圍巖變形有著較大的不同，充填法對(duì)圍巖控制起到一定的促進(jìn)作用，能夠有效減少圍巖變形；采動(dòng)影響則是圍巖變形常見且主要的影響因素，采動(dòng)因素較為復(fù)雜，受采高、采寬、開采方法等多種因素綜合影響。

2.2 輔助軌順變形誘因分析

1310輔助軌順變形誘因主要有以下3個(gè)方面。

1）采寬變化影響。受工作面縮面的影響，工作面開采后期采寬將縮小50 m左右，受采寬減小影響，原本保持的應(yīng)力平衡狀態(tài)發(fā)生改變，在重新形成新的應(yīng)力平衡期間，應(yīng)力開始向輔助軌順轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移的應(yīng)力使圍巖破壞程度也相應(yīng)變化，勢(shì)必會(huì)造成圍巖變形量增加。采寬因素是1310輔助軌順變形的首要影響因素，應(yīng)重點(diǎn)考慮。

2）遺留煤柱影響。工作面縮面后，在原軌順與輔助軌順之間形成了不規(guī)則遺留煤柱，煤柱的穩(wěn)定性與圍巖的穩(wěn)定性息息相關(guān)，且遺留煤柱在不穩(wěn)定狀態(tài)下易誘發(fā)煤柱型沖擊地壓，對(duì)工作面造成極大的威脅，該煤柱在采動(dòng)應(yīng)力影響下若發(fā)生破壞，尤其是煤柱邊緣破壞程度更高，易造成圍巖變形加劇，所以遺留煤柱對(duì)圍巖變形也是一個(gè)不利的因素。

3）應(yīng)力顯現(xiàn)影響。巷道變形狀態(tài)是工作面礦壓顯現(xiàn)的結(jié)果，整條巷道受礦壓影響程度不一樣，最終呈現(xiàn)的變形情況也不一樣。另外由于巷道不同區(qū)域受采動(dòng)應(yīng)力顯現(xiàn)程度影響不一，原支護(hù)系統(tǒng)受到的影響也不同，通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)巷道整體支護(hù)體系雖未被破壞，但局部區(qū)域出現(xiàn)錨桿、錨索失效等情況，此區(qū)域圍巖變化較為明顯，造成支護(hù)效果不佳。

2.3 數(shù)值模型構(gòu)建

數(shù)值模型整體尺寸為300 m×290 m×90 m，X、Y方向邊界施加水平約束，底部施加垂直約束，頂部不設(shè)約束并施加14.5 MPa的上覆巖層等量載荷，施加的自重應(yīng)力為10 m/s2，模型各巖層參數(shù)依據(jù)1310工作面實(shí)際巖層情況選取，如表1所列。在模型輔助順槽頂?shù)装寮皟蓭透鞑贾靡粭l測(cè)線，起點(diǎn)為新切眼位置，每條測(cè)線包含4個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距20 m。

表1 煤巖體力學(xué)參數(shù)表

2.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

對(duì)數(shù)值模型中4條測(cè)線中的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，利用origin數(shù)據(jù)處理軟件得到了不同推進(jìn)階段4個(gè)測(cè)點(diǎn)的巷道圍巖變形曲線圖，如圖2所示。4個(gè)測(cè)點(diǎn)的圍巖變形趨勢(shì)整體上是基本一致的，其中頂板及兩幫呈現(xiàn)出遞增趨勢(shì)，而底板則呈現(xiàn)出平穩(wěn)趨勢(shì)。

圖2 縮面階段工作面圍巖變形曲線

由于測(cè)點(diǎn)1離縮面位置最近，受采動(dòng)影響最大，所以圍巖變形量是所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)中最大的。分析圖2（a）可知，當(dāng)工作面推進(jìn)50 m位于縮面位置時(shí)，頂板變形最大值為170 mm，采幫最大變形量為138 mm，非采幫最大變形量為144 mm，而底板受影響極小幾乎無底鼓，最大變形量?jī)H7 mm。在此區(qū)域，圍巖變形將造成巷道空間較大程度的減小，對(duì)于工作面的超前支護(hù)也極為不利，兩幫及頂板的變形加之應(yīng)力集中影響甚至?xí)斐上锏莱爸Ъ荛g距減小、擠架等安全風(fēng)險(xiǎn)。

分析圖（2）b可知，圍巖變形曲線較圖（2）a相對(duì)緩和，說明此測(cè)點(diǎn)處圍巖受縮面影響有所減小，圍巖變形總量減少約188 mm，在工作面推進(jìn)40 m之前，非采幫變形量要大于采幫變形量，而推進(jìn)40 m以后則相反，此時(shí)采幫受應(yīng)力顯現(xiàn)的影響更大。由此對(duì)比可知，圍巖變形規(guī)律并非一成不變的，變形范圍、程度等相關(guān)參數(shù)均是隨著回采距離或采動(dòng)應(yīng)力變化而變化的，相對(duì)應(yīng)的也需要利用不同方案對(duì)不同階段的圍巖變形情況進(jìn)行處理。

分析圖（2）c可知，隨著測(cè)點(diǎn)3進(jìn)一步遠(yuǎn)離縮面位置，圍巖變形量急劇減少，最大值保持在60 mm范圍內(nèi)，圍巖條件較為良好。非采幫變形量大于采幫變形量，主導(dǎo)影響因素是縮面產(chǎn)生的遺留煤柱，煤柱的破壞使非采幫側(cè)的變形加大。此測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)證明了遠(yuǎn)離切眼的巷道部分主控因素為遺留煤柱，遺留煤柱的穩(wěn)定程度決定著巷道圍巖穩(wěn)定程度。隨著后期繼續(xù)開采，遺留煤柱受采動(dòng)影響預(yù)計(jì)會(huì)發(fā)生一定程度破壞，破壞程度將決定著圍巖變形程度，所以工作面開采末期應(yīng)考慮對(duì)遺留煤柱采取相關(guān)安全措施。

分析圖（2）d可知，測(cè)點(diǎn)4相較于其他3個(gè)測(cè)點(diǎn)圍巖變形曲線最為緩和且變形量最低，非采幫變形量遠(yuǎn)大于采幫，圍巖最大變形量控制在40 mm以內(nèi)，這是由于測(cè)點(diǎn)4距應(yīng)力擾動(dòng)區(qū)較遠(yuǎn)，該區(qū)域圍巖整體穩(wěn)定性保持較好，另外數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果也更加證明了遺留煤柱對(duì)非采幫的影響進(jìn)一步加深，采動(dòng)應(yīng)力的影響進(jìn)一步減弱。

通過對(duì)4個(gè)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，得到了圍巖變形量曲線，綜合分析圖2可知，在相同的回采距離內(nèi)，1310工作面輔助軌順前段圍巖變形受采動(dòng)應(yīng)力影響較大，后段則受遺留煤柱的影響較深。巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟坑汕醒弁獬尸F(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。綜合對(duì)比軌順頂?shù)装寮皟蓭妥冃吻€可知，頂板變形量最大，兩幫次之，底板最為穩(wěn)定，為保證工作面生產(chǎn)安全，需要采取適宜的方案對(duì)巷道進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

3 強(qiáng)化支護(hù)措施及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐

3.1 強(qiáng)化支護(hù)措施

由模擬推進(jìn)結(jié)果可知，縮面期間工作面頂板變形較大，兩幫變形次之，底板變形較小。應(yīng)采取不同方案針對(duì)各自情況來處理。

針對(duì)頂板變形問題，采取原支護(hù)基礎(chǔ)上增加局部補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施。局部補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方式有2種，可依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選擇使用：第一種如圖3（a）所示，垂直于原支護(hù)鋼帶補(bǔ)打2排鋼帶，鋼帶距巷道中心約1.3 m，每排鋼帶打4根φ22 mm×2 400 mm左旋無縱筋樹脂錨桿，錨桿間距約1m；第二種如圖3（b）所示，平行于原支護(hù)鋼帶補(bǔ)打U型鋼梁，U型鋼梁距原支護(hù)鋼帶約0.4m，每根U型鋼梁中心及兩端分別打1根φ22 mm×8 000 mm錨索，共布置3根。針對(duì)兩幫變形問題，采取刷幫及補(bǔ)打錨桿的方式進(jìn)行處理。依據(jù)原支護(hù)設(shè)計(jì)方案對(duì)明顯鼓幫區(qū)域進(jìn)行刷幫重新支護(hù)，并對(duì)原支護(hù)體系的失效錨桿或錨索重新補(bǔ)打，以此來提高兩幫的支護(hù)能力。由于底板變形較小，對(duì)工作面安全生產(chǎn)的影響有限，暫不處理。若生產(chǎn)期間底鼓程度增加，可采取臥底等方式進(jìn)行處理。

圖3 強(qiáng)化支護(hù)示意圖

3.2 監(jiān)測(cè)方案

十字布點(diǎn)法的原理是在巷道同一斷面選取4個(gè)測(cè)點(diǎn)，4個(gè)測(cè)點(diǎn)形成2條測(cè)線，將2條測(cè)線的交叉點(diǎn)設(shè)為原點(diǎn)，分別量取4個(gè)交叉段的距離并與幫部及頂?shù)装宄跏奸L(zhǎng)度對(duì)比計(jì)算來確定圍巖位移量。需要注意的是兩幫及頂?shù)装鍦y(cè)點(diǎn)應(yīng)分別保持平行和垂直。在對(duì)1310工作面輔助軌順采取補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后，為驗(yàn)證支護(hù)效果，采用十字布點(diǎn)法對(duì)巷道的變形量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，兩軌順交叉口至縮面位置每隔20 m設(shè)立一組測(cè)站，共布置10組，每組布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)為人工涂抹的紅漆標(biāo)示點(diǎn)，兩幫測(cè)點(diǎn)距底板1.5 m水平布置，頂?shù)装鍦y(cè)點(diǎn)沿巷道中線垂直布置。測(cè)站布置如圖4所示。圍巖位移量計(jì)算方法[5]：頂板下沉量=頂?shù)譪d值-頂中co值；左幫移近量=兩幫ab值-左幫中ao值；右?guī)鸵平?兩幫ab值-右?guī)椭衞b值。

圖4 圍巖變形測(cè)站布置示意圖

3.3 效果分析

對(duì)工作面巷道圍巖采取強(qiáng)化支護(hù)措施后，通過現(xiàn)場(chǎng)觀察及十字布點(diǎn)法監(jiān)測(cè)可知，工作面縮面期間，圍巖變形量雖逐步增加，但其變形量及變形速率較小，未對(duì)工作面生產(chǎn)及安全造成影響。工作面縮面期間頂板下沉量控制在100 mm以內(nèi)，兩幫變形量控制在80 mm范圍內(nèi)，由此證明了強(qiáng)化支護(hù)措施的有效性。

4 結(jié)論

1）理論分析得到了工作面采寬變化、采動(dòng)應(yīng)力及遺留煤柱等因素的復(fù)合影響是造成工作面縮面階段圍巖變化的主要影響因素；模擬分析證明工作面縮面期間輔助軌順的頂板及兩幫變形量較大，尤其是頂板，最大變形量達(dá)到170 mm，底板則相對(duì)穩(wěn)定，變形量可忽略不計(jì)。

2）基于理論及模擬分析的結(jié)果對(duì)縮面期間的圍巖強(qiáng)化支護(hù)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，幫部主要采取刷幫及補(bǔ)打錨桿、錨索的方式進(jìn)行加固，而頂板則采用鋼帶錨桿或鋼梁錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。通過十字布點(diǎn)法的監(jiān)測(cè)證明了生產(chǎn)期間未發(fā)生頂板大面積下沉或幫部大面積鼓幫等情況，圍巖變形量均控制在合理范圍內(nèi)，證明了強(qiáng)化支護(hù)方案的有效性。