毛基騰

(安徽恒源煤電股份有限公司，安徽 淮南)

引言

隨著礦山開采規(guī)模和深度逐漸加大，我國諸多礦井逐漸進入深部開采狀態(tài)[1-2]，而深井開采中又存在工作面接替緊張問題，即上工作面采動對下工作面影響尚未穩(wěn)定，則立即回采相鄰工作面，使上工作面殘余應力與本工作面超前支撐壓力產(chǎn)生雙重疊加作用，從而引起巷道頂板變形劇烈、煤柱炸幫和嚴重底鼓等異常動壓顯現(xiàn)等災害事故[3-5]。因此，針對采動誘導相鄰巷道圍巖發(fā)生災害事故，提出安全支護加固方案具有重要意義。

目前國內(nèi)外專家為此做出大量的實驗，常青[6]采用數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測手段以“高強錨網(wǎng)索+噴漿”聯(lián)合支護的圍巖控制方案階段動壓巷道圍巖變形嚴重難題。李海波[7]通過實施“高強度錨網(wǎng)索+噴漿”支護計劃，有效控制了巷道圍巖的破壞和變形，從而達到支護效果要求?？堤旎踇8]等通過數(shù)值模擬及理論分析手段，分析了下鄰回采巷道受采動影響的圍巖變形規(guī)律，揭示了動壓巷道圍巖變形破壞機理，提出了巷道長錨索支護+短錨索補強+鋼帶聯(lián)合差異化控制的分斷面錨索加固技術。楊文帥[9]為解決王家?guī)X煤礦12301 工作面回風巷道頂板安全問題，利用數(shù)值模擬進行礦壓分析，并提出高強預應力錨桿索組合支護技術。

為此本文根據(jù)朱集西礦13501 工作面運輸順槽為工程背景，利用FLAC3D 數(shù)值模擬分析13501 工作面順槽受下部工作面開采影響下的應力場、位移場時空演化規(guī)律，并提出巷道支護補強防控方案。

1 工程概況

13501 工作面為13-1 煤五采區(qū)首采工作面，工作面以傾斜長壁方式布置，其中工作面長為1 412 m，寬為205 m，煤厚為3.29～5.31 m，平均煤厚為3.86 m，煤層標高在-984.3 m～881.0 m 之間，變異系數(shù)γ=23%，可采性指數(shù)K=1。13501 工作面位于11-2 煤11501、11502 的上方，其中，13-1 煤層的底部與11-2煤層的頂部之間的距離介于63.6～84.4 m 之間，兩者間平均距離為73.2 m。根據(jù)《朱集西礦井建井期間13-1 煤層突出危險性評估》，礦井13-1 煤層具有突出危險性。

11502 工作面寬211 m、長1 320 m，目前11502工作面正在回采。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，11-2 煤層厚1.30～1.90 m，平均1.50 m，工作面煤巖層傾角為1°～9°，平均傾角7°。

由于13-1 煤工作面利用下解放層卸壓保護開采，一直都存在工作面接替緊張問題，13501 工作面運輸順槽在11502 工作面回采結束之后開始掘進，受下覆11 煤工作面采動影響相對較小，但13501 工作面運輸順槽部分巷道位于11502 工作面停采線外，因煤柱上方受支承壓力作用，則該段巷道圍巖穩(wěn)定性較弱，見圖1。

圖1 工作面布置圖

2 11-2 煤層開采上覆巖層數(shù)值模擬分析

2.1 FLAC 數(shù)值模型建立

根據(jù)朱集西礦13501 工作面地質(zhì)采礦條件(各巖層基本參數(shù)見表1)，建立11502工作面回采結束后，對處于11501 工作面停產(chǎn)線煤柱上方的13501 軌道順槽造成疊加影響的FLAC3D 數(shù)值分析模型。設定回采工作面長度為214 m，留設8 m 小煤柱。煤層邊界的長度和寬度分別為102 m 和640 m。模型y 方向長度和高度分別為900 m 和150 m，并且工作面沿y 軸正方向推進，11-2 煤與13-1 煤垂直距離為70 m。根據(jù)礦井地質(zhì)資料設置模型x 向側(cè)壓系數(shù)1.4，y 向側(cè)壓系數(shù)0.75。建立模型見圖2。

表1 模型巖體力學參數(shù)

圖2 巷道開挖數(shù)值模型圖

2.2 11502 工作面回采應力分析

由圖3 中可以看出，巷道開挖后，巷道周圍應力重新分布，其中巷道兩幫出現(xiàn)明顯的應力集中現(xiàn)象，且呈現(xiàn)出左右對稱的趨勢，最大值為38.3 MPa，可以看出在兩個支承壓力區(qū)的疊加影響下，巷道圍巖垂直應力增大，集中體現(xiàn)在巷道兩幫的位置，這也是造成巷道底鼓量大的原因。

圖3 Z 軸垂直應力分布圖

2.3 11502 回采工作面位移分析

圖4、圖5 分別為13501 軌道順槽巷道圍巖Z 和X 軸位移分布云圖，可以看出13501 軌道順槽巷道底板Z 軸表面位移為540 mm，頂板表面位移為310 mm；左幫圍巖水平位移最大值為334 mm 左右，巷道右?guī)蛧鷰r（靠近11502 工作面?zhèn)龋┧轿灰谱畲笾禐?28 mm 左右，從圖5 中可以明顯發(fā)現(xiàn)，在巷道肩窩和底角的地方變形量最大，且內(nèi)突成三角形，而且巷道右?guī)臀灰粕源笥谙锏雷髱偷奈灰?。可以發(fā)現(xiàn)若對錨桿(索)錨固力達不到設計要求，則錨桿(索)不能對巷道圍巖起到主動支護作用，巷道圍巖與錨桿索也不能形成一個完整的錨固體，就會造成巷道圍巖變形較大。

圖4 巷道圍巖Z 軸位移分布圖

圖5 巷道圍巖X 軸位移分布圖

3 13501 工作面順槽支護方案優(yōu)化及支護效果分析

3.1 13501 工作面順槽支護方案優(yōu)化

根據(jù)13501 工作面順槽支護初始設計、監(jiān)測和信息反饋分析，采動影響下13501 工作面軌道順槽變形嚴重，因此提出加強支護措施：補打中空注漿錨索。采用長度為6 300 mm 的中空注漿錨索，錨索間排距為1.2 m×1.6 m，外露長度150～250 mm，錨索張緊力不低于150 kN，每根錨索使用3 卷Z2850 型錨固劑。

3.2 礦壓監(jiān)測及護效果分析

從圖6 可以看出采用修正后的錨網(wǎng)支護設計方案后，6#頂板離層儀巷道頂板變形量大幅減小，淺部變形量由支護方案前的100 mm 左右變?yōu)?2 mm，深部變形量35 mm 左右變?yōu)?3 mm，而且巷道頂板變形在距離掘進迎頭35 m 左右就趨于穩(wěn)定，頂板變形穩(wěn)定迎頭距減小。7#測點巷道頂板變形量很小，巷道頂板穩(wěn)定性得到有效控制。淺部基點變形量穩(wěn)定在8 mm，深部基點變形量穩(wěn)定在3 mm。

圖6 頂板離層量與掘進迎頭距離關系圖

為了更加清晰的闡述采用修正錨網(wǎng)支護方案前后巷道頂板離層觀測數(shù)據(jù)變化，選取距離迎頭77 m 左右不同測點巷道頂板離層量數(shù)據(jù)進行分析，從圖7 可以看出，自5#與6#頂板離層儀采用修正錨網(wǎng)支護方案后，深部基點和淺部基點變形量顯著減小，巷道圍巖變形得到了有效控制。

圖7 距掘進迎頭77 m 不同離層儀觀測數(shù)據(jù)圖

4 結論

通過FLAC3D 數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)11502 回采導致13501 回風順槽兩幫出現(xiàn)明顯的應力集中現(xiàn)象，且呈現(xiàn)出左右對稱的趨勢，巷道垂直應力出現(xiàn)增大現(xiàn)象，并且在巷道肩窩和底角的地方變形量最大，且內(nèi)突形成三角形。

根據(jù)數(shù)值模擬結果對13501 工作面軌道順槽進行加強支護，提出“補打中空注漿錨索”加固技術方案。

采取加固技術方案后，通過對13501 回風順槽頂板離層儀各項數(shù)據(jù)的對比分析，發(fā)現(xiàn)錨網(wǎng)支護參數(shù)優(yōu)化效果明顯，巷道圍巖變形得到了有效控制。