程昶堯

(山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 晉中 045400)

隨著煤炭資源開采強(qiáng)度的加大，礦井采掘銜接緊張的問題變得尤為突出。為縮短工作面的準(zhǔn)備時(shí)間，部分礦井在本工作面回采期間即準(zhǔn)備鄰近工作面回采巷道的掘進(jìn)，這類巷道需經(jīng)歷掘進(jìn)開挖、鄰近工作面回采、本工作面回采多次強(qiáng)擾動(dòng)影響，往往會(huì)表現(xiàn)出明顯的大變形特性。眾多學(xué)者[1-6]對(duì)迎采巷道的掘進(jìn)時(shí)機(jī)及控制技術(shù)進(jìn)行了研究，為該類巷道的安全高效掘進(jìn)提供了重要保障，但是對(duì)于迎采巷道煤柱體內(nèi)的應(yīng)力演化規(guī)律及頂板破斷特征研究較少。因此，本文以目標(biāo)礦9111進(jìn)風(fēng)巷的地質(zhì)資料為背景，對(duì)迎采巷道區(qū)段煤柱體內(nèi)的全時(shí)段應(yīng)力演化規(guī)律進(jìn)行研究，并提出針對(duì)性的支護(hù)優(yōu)化方案。

1 工程背景

9111工作面設(shè)計(jì)采長(zhǎng)300 m，可采推進(jìn)長(zhǎng)度1 950 m，煤層平均厚度3.5 m，平均傾角5°.煤層直接頂以砂質(zhì)泥巖和泥巖為主，老頂為粉砂巖，直接底為細(xì)粒砂巖。為保證9111工作面的正常銜接，在9110工作面回采期間需著手準(zhǔn)備9111進(jìn)風(fēng)巷的開掘，所以該巷道需經(jīng)歷上區(qū)段9110工作面及本工作面的兩次強(qiáng)采動(dòng)影響。

2 地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果分析

為深入分析9111進(jìn)風(fēng)巷原巖應(yīng)力的分布規(guī)律，采用小孔徑水壓致裂法在巷道頂板區(qū)進(jìn)行了應(yīng)力場(chǎng)測(cè)試，最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力、垂直應(yīng)力的實(shí)測(cè)值分別為10.04 MPa、5.62 MPa、15.79 MPa，巷道應(yīng)力場(chǎng)類型為σv>σH>σh.由于該巷道內(nèi)垂直應(yīng)力占主要優(yōu)勢(shì)，所以容易導(dǎo)致巷道兩幫變形量較大，工作面平面位置關(guān)系及鉆孔布設(shè)見圖1.

圖1 工作面平面位置關(guān)系及鉆孔布設(shè)圖

3 9111進(jìn)風(fēng)巷全時(shí)段應(yīng)力演化規(guī)律研究

為研究9111進(jìn)風(fēng)巷在復(fù)采動(dòng)壓影響下，煤柱體內(nèi)的應(yīng)力演化規(guī)律，本文在目標(biāo)巷道與9110工作面之間的區(qū)段煤柱內(nèi)施工7個(gè)鉆孔并安裝鉆孔應(yīng)力計(jì)，各鉆孔間隔5 m，鉆孔深度分別為3 m、5 m、8 m、15 m、20 m、25 m、30 m，為提高監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，各鉆孔應(yīng)力計(jì)的數(shù)據(jù)具備實(shí)時(shí)存儲(chǔ)功能。

3.1 9110工作面回采期間巷道應(yīng)力場(chǎng)分布特征

根據(jù)研究巷道與9110工作面相對(duì)位置關(guān)系的不同可將其分為超前采動(dòng)影響段、滯后采動(dòng)影響段、穩(wěn)定段。圖中橫坐標(biāo)正值區(qū)表示工作面未推進(jìn)到鉆孔應(yīng)力計(jì)布設(shè)區(qū)，負(fù)值表示鉆孔應(yīng)力計(jì)已進(jìn)入工作面采空區(qū)。

由圖2可知，在超前采動(dòng)段內(nèi)除3 m、5 m兩個(gè)鉆孔應(yīng)力計(jì)數(shù)值出現(xiàn)小幅遞增外，其余測(cè)點(diǎn)并未出現(xiàn)明顯變化。滯后影響段各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值開始明顯遞增，3 m鉆孔在9110工作面推過177 m后達(dá)到峰值應(yīng)力，為6.9 MPa，之后一直穩(wěn)定在6.5 MPa，主要原因是在幫部錨桿、錨索支護(hù)體的聯(lián)合作用下，該段煤體內(nèi)部形成了較為穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)單元。15～25 m鉆孔段在滯后工作面52～67 m時(shí)應(yīng)力值呈小幅遞增，并在約200 m位置達(dá)到峰值，之后逐漸穩(wěn)定。30 m鉆孔在工作面推過其65 m后達(dá)到峰值應(yīng)力，之后迅速回落至0 MPa，主要原因是采空區(qū)老頂沿側(cè)向產(chǎn)生大規(guī)模的回轉(zhuǎn)失穩(wěn)變形，造成該范圍內(nèi)煤柱體塑性區(qū)發(fā)育并失去承載能力。

圖2 上區(qū)段工作面回采期間煤柱體內(nèi)應(yīng)力分布圖

由圖3可知，隨著工作面的不斷推進(jìn)，峰值應(yīng)力逐漸向煤柱體中部轉(zhuǎn)移，穩(wěn)定后的峰值應(yīng)力出現(xiàn)在20 m鉆孔處，達(dá)11.9 MPa，最終巷道側(cè)向支撐壓力分布呈現(xiàn)出明顯的“單峰狀”。

圖3 監(jiān)測(cè)周期內(nèi)各鉆孔穩(wěn)態(tài)應(yīng)力值分布圖

3.2 9111工作面回采期間巷道應(yīng)力場(chǎng)分布特征

由圖4可知，淺部鉆孔受9111工作面超前支承壓力的影響較大，隨著工作面與監(jiān)測(cè)區(qū)相對(duì)距離的減小，各鉆孔的應(yīng)力值呈逐漸遞增的趨勢(shì)。5 m鉆孔在9111工作面回采期間應(yīng)力值在2.6～3.5 MPa的低值區(qū)震蕩徘徊，主要原因是重復(fù)采動(dòng)影響下該范圍內(nèi)煤體塑性區(qū)發(fā)育明顯，煤柱體承載能力偏低。10～20 m鉆孔在9111工作面回采期間應(yīng)力值始終比較平穩(wěn)(30 m鉆孔在上區(qū)段工作面回采過后已經(jīng)失效，所以本次數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)將其剔除)。在整個(gè)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)應(yīng)力值最高的是20 m鉆孔。

圖4 本工作面回采期間煤柱體內(nèi)應(yīng)力分布圖

由圖5可知，各應(yīng)力監(jiān)測(cè)鉆孔穩(wěn)定后煤柱體內(nèi)側(cè)向支撐壓力呈明顯的“雙峰狀”，其中主峰值區(qū)出現(xiàn)在20 m鉆孔處，次峰值區(qū)出現(xiàn)在5 m鉆孔處，分別為9.8 MPa、15.1 MPa.主峰值區(qū)的應(yīng)力隨著工作面的推進(jìn)呈逐漸遞增的趨勢(shì)，穩(wěn)態(tài)應(yīng)力值較超前工作面169 m的位置時(shí)，增加36.5%.

圖5 監(jiān)測(cè)周期內(nèi)各鉆孔穩(wěn)態(tài)應(yīng)力值分布圖

4 巷道支護(hù)體系優(yōu)化及效果評(píng)價(jià)

4.1 支護(hù)體系優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于巷道開掘處地應(yīng)力較高，并且需經(jīng)受9110、9111工作面兩次采動(dòng)影響，所以要求施工錨桿具有足夠的強(qiáng)度、延伸率以及抗沖擊特性?；诖耍x用由MG500鋼材制成的D22 mm×2 400 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，根據(jù)《煤礦巷道錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范》(GB/T35056-2018)，錨桿預(yù)緊力一般為錨桿屈服力的30%～60%，取95 kN(本次按錨桿桿體屈服載荷的50%進(jìn)行設(shè)計(jì))，為提高支護(hù)體的協(xié)同承載能力，各錨桿間采用W型鋼帶進(jìn)行連接。每?jī)膳佩^桿間施工3根D21.6 mm×8 200 mm高強(qiáng)度錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，張拉千斤表顯壓力不低于250 kN.

因巷道與最大水平應(yīng)力呈13.6°夾角，所以巷道兩幫采用非對(duì)稱補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)，在原有全錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上，區(qū)段煤柱幫側(cè)施工3根1×19S結(jié)構(gòu)D21.8 mm×4 200 mm補(bǔ)強(qiáng)錨索，實(shí)體煤柱幫側(cè)以“小三花”形式布置1×7S結(jié)構(gòu)D17.8 mm×4 200 mm補(bǔ)強(qiáng)錨索，以有效改善煤柱幫側(cè)3～5 m段淺部煤巖結(jié)構(gòu)體的力學(xué)特性，因幫部煤體承載能力較低，可錨性較差，將幫錨索張拉預(yù)緊設(shè)計(jì)為160 kN.

4.2 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

為準(zhǔn)確反應(yīng)支護(hù)體系優(yōu)化后巷道圍巖的應(yīng)力演化規(guī)律，通過在錨桿、錨索末端裝設(shè)電子應(yīng)力計(jì)，對(duì)重復(fù)采動(dòng)影響期間支護(hù)結(jié)構(gòu)體的受力響應(yīng)特征進(jìn)行系統(tǒng)研究。

由圖6可知，錨桿應(yīng)力變化較大的分界點(diǎn)出現(xiàn)在9110工作面推過監(jiān)測(cè)斷面-116 m的位置。主要原因是采空區(qū)頂板大結(jié)構(gòu)單元的回轉(zhuǎn)、失穩(wěn)對(duì)支護(hù)體造成了較大的沖擊載荷。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，頂錨桿受采動(dòng)影響的應(yīng)力增加幅度普遍大于幫錨桿，在9110工作面回采期間頂錨桿應(yīng)力增幅達(dá)58.4%.與區(qū)段煤柱側(cè)錨桿相比，采幫側(cè)監(jiān)測(cè)錨桿在工作面回采期間應(yīng)力值較小，并且在工作面推進(jìn)至-149 m的位置時(shí)遞減至65.4 kN,主要原因是錨桿安裝后施加預(yù)緊力較小(僅為75 kN，低于設(shè)計(jì)要求的95 kN)，工作面回采過后難以有效抑制淺部煤巖結(jié)構(gòu)體的剪切擴(kuò)容變形，造成錨桿單元周圍塑性區(qū)發(fā)育范圍增大，支護(hù)體發(fā)生松動(dòng)，最終導(dǎo)致錨桿受力降低，所以為充分調(diào)動(dòng)主動(dòng)支護(hù)體的承載能力，必須保證其主動(dòng)預(yù)緊力達(dá)標(biāo)。

圖6中錨索的應(yīng)力變化趨勢(shì)與圖7錨桿相似，但是鄰近9110工作面采空區(qū)一側(cè)的幫錨索，在滯后工作面116～184 m的區(qū)間內(nèi)，其應(yīng)力值在219～226 kN.錨桿錨索體的應(yīng)力激增點(diǎn)出現(xiàn)在滯后工作面110 m附近的位置，這與圖2(a)中3 m、5 m兩個(gè)淺部鉆孔應(yīng)力計(jì)采集數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)基本一致。

圖6 上區(qū)段工作面回采期間支護(hù)體受力變化圖

由圖7可知，在超前9111工作面100 m附近時(shí)，錨桿、錨索的應(yīng)力值遞增速率逐漸加大，這一監(jiān)測(cè)結(jié)果與圖4具有較好的一致性。說明該支護(hù)體系能夠協(xié)同作用，有效抑制工作強(qiáng)采動(dòng)作用的影響，整個(gè)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)采幫側(cè)錨索、錨桿的最大應(yīng)力值分別為278.3 kN、163 kN，而區(qū)段煤柱側(cè)錨索、錨桿的最大應(yīng)力值分別為250.8 kN、64.2 kN，主要原因是在工作面重復(fù)采動(dòng)影響下，區(qū)段煤柱體塑性區(qū)發(fā)育范圍較大，使得錨桿、錨索支護(hù)體的可錨性變差。

圖7 本工作面回采期間支護(hù)體受力變化圖

9110工作面回采期間巷道兩幫的移近量大于頂?shù)装宓幕乜s量，在整個(gè)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)巷道變形量為原設(shè)計(jì)斷面尺寸的1.7%，在工作面推過測(cè)點(diǎn)175 m后巷道變形量逐漸趨穩(wěn)收斂。當(dāng)9111工作面推進(jìn)至距測(cè)點(diǎn)90～100 m時(shí)巷道變形量開始緩慢遞增，9111工作面回采對(duì)巷道的變形影響更大，頂?shù)装寮皟蓭偷囊平糠謩e為鄰近工作面回采期間監(jiān)測(cè)值的5.4倍、2.2倍，如圖8所示。

圖8 工作面重復(fù)采動(dòng)影響下監(jiān)測(cè)斷面位移變化規(guī)律

5 結(jié) 語

1) 通過地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，最大水平主應(yīng)力為10.04 MPa，最小水平主應(yīng)力最大值為5.62 MPa，初步判斷其應(yīng)力場(chǎng)類型以σv>σH>σh為主，測(cè)區(qū)內(nèi)垂直應(yīng)力占優(yōu)勢(shì)。

2) 9110工作面回采過后區(qū)段煤柱內(nèi)側(cè)向支承壓力分布呈“單峰”狀，峰值應(yīng)力出現(xiàn)在20 m鉆孔處，達(dá)11.9 MPa.

3) 9111工作面回采期間，超前段3～5 m深度鉆孔應(yīng)力波動(dòng)較大，10～20 m鉆孔應(yīng)力值始終比較平穩(wěn)，煤柱體內(nèi)最終側(cè)向支承壓力分布呈“雙峰狀”，主峰值位于20 m鉆孔處，次峰值位于5 m鉆孔處。

4) 以高強(qiáng)度、高預(yù)應(yīng)力為主要特點(diǎn)的非對(duì)稱錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)體系，能協(xié)同控制重復(fù)采動(dòng)期間的巷道變形。