深部近距離變間距跨采底板煤巷圍巖動(dòng)顯規(guī)律及控制技術(shù)

劉心廣

（兗州煤業(yè)股份有限公司濟(jì)寧二號煤礦，山東省濟(jì)寧市，272072）

深部近距離變間距跨采底板煤巷圍巖動(dòng)顯規(guī)律及控制技術(shù)

劉心廣

（兗州煤業(yè)股份有限公司濟(jì)寧二號煤礦，山東省濟(jì)寧市，272072）

針對深部近距離多重采動(dòng)影響跨采底板煤巷圍巖塑性大變形破壞特征，研究了深部近距離變間距跨采煤巷圍巖變形破壞及巷道底臌影響因素；通過數(shù)值模擬對跨采底板煤巷層間臨界煤巖柱及合理內(nèi)錯(cuò)距離進(jìn)行優(yōu)化研究，掌握多重采動(dòng)影響條件下跨采煤巷動(dòng)顯規(guī)律，及多元應(yīng)力疊加條件下跨采巷道圍巖應(yīng)力場動(dòng)態(tài)演化規(guī)律；結(jié)合巷道圍巖性態(tài)、層間距差異等制定了適合多重采動(dòng)影響跨采底板煤巷動(dòng)態(tài)分段耦合控制技術(shù)，并進(jìn)行了工程試驗(yàn)研究。應(yīng)用表明：跨采巷道圍巖應(yīng)力集中程度減弱，分布更加趨于均勻化，運(yùn)輸巷圍巖的破壞范圍及破壞深度減少，分段動(dòng)態(tài)支護(hù)方式在深部近距離跨采巷道支護(hù)領(lǐng)域具有重要推廣應(yīng)用價(jià)值。

深部開采 近距離跨采 變間距 煤巷 動(dòng)顯規(guī)律 動(dòng)態(tài)耦合支護(hù)

濟(jì)寧二號煤礦3上與3下煤層間距0.7～39.25 m，平均25.66 m，層間距小、起伏變化大，兩煤層在十一采區(qū)北部合并，向南間距增大。根據(jù)礦井生產(chǎn)接續(xù)、十一采區(qū)構(gòu)造和煤層賦存特點(diǎn)，為緩解接續(xù)緊張，需提前施工113下08工作面運(yùn)輸巷和切眼，從而造成3上煤層工作面跨采3下煤層回采巷道的局面。在上下煤層工作面回采過程中，引起應(yīng)力重新分布，使113下08工作面運(yùn)輸巷受多重采動(dòng)影響而產(chǎn)生變形破壞。因此，深部近距離煤層跨采煤巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)研究己經(jīng)成為濟(jì)寧二號煤礦面臨的一項(xiàng)重要課題。

1 跨采底板煤巷穩(wěn)定性影響因素分析

通過對巷道工程地質(zhì)條件、圍巖結(jié)構(gòu)、物化分析、地質(zhì)力學(xué)等綜合分析，有多種因素影響跨采煤巷圍巖的穩(wěn)定性。

跨采巷道埋深大，高構(gòu)造應(yīng)力水平和復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造增加了工作面巷道工程施工的難度，并且巷道承受上位煤層工作面多重采動(dòng)影響以及殘留煤柱復(fù)合集中應(yīng)力作用。巷道圍巖在高應(yīng)力作用下極易產(chǎn)生強(qiáng)烈塑性變形。在底板泥巖中膨脹性粘土礦物含量較高，遇水極易膨脹變形，從而造成巷道底臌和圍巖破壞，且底臌具有明顯的流變性，底板跨采煤巷相對服務(wù)時(shí)間較長，流變將引起底板巖層強(qiáng)度的降低及底臌量的增加。由于上部采空區(qū)積水的滲透作用，降低了層間巖石的內(nèi)聚力，使頂板巖體容易產(chǎn)生松散脫落，弱化了錨桿錨固基礎(chǔ)，嚴(yán)重影響了跨采煤巷支護(hù)穩(wěn)定性。

2 深部近距離變間距跨采巷道動(dòng)顯規(guī)律及空間位置模擬分析

跨采煤巷的位置主要由煤層間距和煤巷內(nèi)錯(cuò)間距確定。在跨采過程中，跨采巷道的位置不同，所受的采動(dòng)影響也不同。因此，跨采煤巷位置的確定對巷道穩(wěn)定性有很大影響。隨著煤層工作面的回采，采動(dòng)對跨采巷道的影響分別為3上煤層工作面單側(cè)采動(dòng)對跨采巷道的影響，如圖1（a）所示；3上煤層相鄰工作面雙側(cè)采動(dòng)對跨采巷道的疊加影響，如圖1（b）所示；以及3上煤層工作面和3下煤層跨采巷道服務(wù)工作面的三次采動(dòng)對跨采巷道的疊加影響，如圖1（c）所示。

圖1 跨采工作面113上01與受采動(dòng)影響底板113下08運(yùn)輸巷平面位置示意圖

由于跨采巷道承受上下煤層工作面多次采動(dòng)的影響，作用在巷道上的應(yīng)力出現(xiàn)疊加，導(dǎo)致巷道變形破壞?？绮上锏缿?yīng)力疊加及變形情況與上下煤層巷道的內(nèi)錯(cuò)距密切相關(guān)。因此，上下煤層回采巷道的位置關(guān)系不同，對底板跨采巷道會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響。為了正確模擬分析3上及3下煤層在開采過程中113下08運(yùn)輸巷圍巖的受力與變形情況及為正確確定跨采煤巷合理位置提供必要的科學(xué)依據(jù)，以3上及3下煤層間距、煤巷內(nèi)錯(cuò)距為考慮因素，分析煤層間距為10 m、22 m、37 m，煤層內(nèi)錯(cuò)距分別取6 m、12 m、20 m、28 m、35 m時(shí)，兩種因素相互交叉組合確定出15種方案。

2.1 煤間距不同對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響

以煤間距不同，巷道錯(cuò)距為28 m為例進(jìn)行分析研究。因篇幅有限，僅給出了煤間距不同時(shí)巷道圍巖垂向位移變化色譜圖，如圖2所示。從圖2中可以看出，在煤間距為10 m時(shí)，巷道變形受上部工作面回采的影響很大，煤間距在一定范圍內(nèi)，巷道頂?shù)装逑鄬σ平侩S煤間距的增加而逐漸減小。同理，得出了煤間距不同時(shí)巷道垂向應(yīng)力變化情況，巷道圍巖垂向應(yīng)力隨著巷道距工作面距離的增加而減小并逐漸趨于穩(wěn)定。煤間距不同時(shí)對巷道圍巖的塑性區(qū)分布影響為當(dāng)煤間距較小時(shí)巷道圍巖的塑性區(qū)與上層采場底板塑性區(qū)相互連通，但隨著煤間距的增加，巷道圍巖塑性區(qū)范圍及程度都逐漸減小，表明上部工作面回采產(chǎn)生的動(dòng)壓影響逐漸變緩。

2.2 工作面邊界跨過底板巷道的水平距離不同對其圍巖穩(wěn)定性的影響

以巷道錯(cuò)距不同，煤間距一定為例進(jìn)行分析研究。因篇幅有限，僅給出了錯(cuò)距不同時(shí)巷道圍巖垂向位移變化色譜圖，如圖3所示。從圖3中可以得知，巷道頂?shù)装宓南鄬σ平侩S巷道錯(cuò)距的增大先增大后減少，但總體變化幅度不是很大。同理，可以得出當(dāng)錯(cuò)距較小時(shí)，騎跨巷道的垂向應(yīng)力卸壓區(qū)與上部工作面連通，且應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)在巷道的右側(cè)，隨錯(cuò)距的增加，逐漸在騎跨巷道的兩側(cè)形成應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)水平距離為6 m時(shí)巷道圍巖破壞范圍及程度最大，隨著錯(cuò)距的增加，巷道圍巖的破壞范圍呈現(xiàn)減小趨勢，且巷道圍巖破壞多以頂板為主。

在對鄰近工作面礦壓觀測及理論分析研究的基礎(chǔ)上，綜合分析本次數(shù)值計(jì)算結(jié)果，確定3上煤層工作面采動(dòng)支承壓力顯著影響范圍為20 m左右，為確保底板巷道避免受多次采動(dòng)影響及上位煤層開采形成的煤柱集中支承壓力與工作面?zhèn)认蛑С袎毫ΟB加影響，防止沖擊地壓及礦震的發(fā)生，113下08運(yùn)輸巷合理位置確定為與113上01工作面運(yùn)輸巷水平距離為28 m。

圖3 錯(cuò)距不同時(shí)巷道圍巖垂向位移變化色譜圖

3 深部近距離變間距跨采煤巷圍巖控制技術(shù)研究

3.1 分段動(dòng)態(tài)耦合控制技術(shù)理論研究及工程設(shè)計(jì)

圖4 底板煤巷錨網(wǎng)+多根錨索支護(hù)平面圖

通過對工程巖組臨界深度及工程難度評價(jià)，確定了采用錨網(wǎng)索耦合支護(hù)方法對近距離跨采煤巷圍巖進(jìn)行控制，結(jié)合巷道圍巖性態(tài)、層間距差異等研究采用分段動(dòng)態(tài)支護(hù)，根據(jù)劃分的不同層間距區(qū)間，基于關(guān)鍵部位耦合支護(hù)，制定了錨網(wǎng)支護(hù)、錨網(wǎng)+單根錨索、錨網(wǎng)+多根錨索及錨網(wǎng)索+鋼棚的分階段圍巖穩(wěn)定性控制方法，并進(jìn)行了工程實(shí)踐，跨采煤巷圍巖穩(wěn)定性較好，因篇幅有限，部分支護(hù)方案如圖4、圖5所示。

圖5 底板煤巷錨網(wǎng)梯工字鋼棚支護(hù)示意圖

層間距10～20 m時(shí)，由于受多重采動(dòng)應(yīng)力影響，底板巷道圍巖破碎較嚴(yán)重，采用錨網(wǎng)+多根錨索耦合支護(hù)技術(shù)，若仍產(chǎn)生較大變形時(shí)，建議補(bǔ)充工字鋼棚進(jìn)行被動(dòng)支護(hù)；層間距20～40 m時(shí)，受采動(dòng)影響相對較小，但受深部高應(yīng)力軟弱圍巖影響，建議采用錨網(wǎng)+單根錨索耦合支護(hù)方式，巖石巷道及圍巖完整、巖性穩(wěn)定區(qū)域采用錨網(wǎng)支護(hù)，圍巖破碎嚴(yán)重區(qū)域適當(dāng)增加錨索支護(hù)密度。

3.2 礦壓監(jiān)測及反饋設(shè)計(jì)

為了掌握跨采底板煤巷相關(guān)礦壓規(guī)律，進(jìn)行了底板巷道礦壓觀測，從跨采開始到跨采停采線以外100 m止，每12 m設(shè)置一個(gè)觀測斷面，保證在不同層間距、圍巖性態(tài)及地質(zhì)構(gòu)造處進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，分別進(jìn)行收斂、離層、托錨力觀測，具體監(jiān)測結(jié)果如圖6～圖9所示。

從圖6～圖9中可以看出，113下08運(yùn)輸巷兩幫移近量隨回采工作面的推進(jìn)而逐漸增加，在回采煤壁下方時(shí)移近速度較大，回采過后逐漸趨于穩(wěn)定。113下08運(yùn)輸巷頂板在超前113上01工作面煤壁約50 m處頂板開始緩慢下沉，頂板最大下沉量為20 mm。進(jìn)入113上01采空區(qū)下方應(yīng)力降低區(qū)后，運(yùn)輸巷頂板出現(xiàn)輕微反彈現(xiàn)象。

從圖8中可以看出，隨工作面回采，錨桿索受力逐漸增加，20 m以內(nèi)時(shí)急劇增加，頂板錨桿受力最大96.1 k N，錨索受力最大117.2k N，對比錨網(wǎng)支護(hù)工程質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)表，錨桿索仍有較大富余量，通過起底修復(fù)、加打錨桿索、架棚等措施后，完全能滿足113下08工作面回采、通風(fēng)、運(yùn)輸要求。

從圖9中可以看出，監(jiān)測面距離113上01工作面煤壁大于40 m時(shí)，各測點(diǎn)的垂向應(yīng)力曲線比較平緩，壓力值基本保持在一定應(yīng)力水平，隨后呈現(xiàn)出增加趨勢，而距離小于20 m時(shí)，出現(xiàn)激增現(xiàn)象。當(dāng)工作面煤壁越過監(jiān)測面后，各測點(diǎn)的垂向應(yīng)力逐漸降低并趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)語

通過對深部近距離跨采煤層底板應(yīng)力分布規(guī)律、巖層破壞特征與底板巷道 圍巖應(yīng)力、變形、破壞演化規(guī)律及底臌治理方面的研究，可加深對跨采巷道附加變形與破壞機(jī)理的認(rèn)識，以利于對巷道附加變形進(jìn)行有效控制，提出切實(shí)合理的跨采巷道圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)，對于維護(hù)巷道圍巖穩(wěn)定，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測，113下08運(yùn)輸巷圍巖應(yīng)力集中程度減弱，分布更加趨于均勻化，運(yùn)輸巷圍巖的破壞范圍及破壞深度減少，圍巖穩(wěn)定性提高。因此，針對深部近距離煤層跨采煤巷支護(hù)所提出的動(dòng)態(tài)支護(hù)方式，在理論上是科學(xué)的、技術(shù)上是可行的。

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Dynamic strata behavior law and controlling technology of surrounding rock of floor roadway in deep short-distance cross mining with variable intervals

Liu Xin'guang
（JiningⅡCoal Mine，Yanzhou Coal Mining Co.，Ltd.，Jining，Shandong 272072，China）

Aiming at the large plastic deformation and failure characteristics of surrounding rock of cross mining floor roadway under the impact of deep short-distance multiple mining，the paper researches the influencing factors of surrounding rock failure and the floor heave of the roadway in deep short-distance cross-mining with variable intervals；with numerical simulation，it conducts the optimization research on the critical coal pillars and reasonable inner intersecting distance between them in the layers of floor roadway in cross mining，and masters the dynamic strata behavior law of cross mining roadway under the impact of multiple mining and the dynamic evolution law of the surrounding rock stress field of the cross mining roadway under the multiple stress superposition；combining with the surrounding rock behavior and the interlayer spacing differences，the paper makes the dynamic piecewise coupling control technology which fits the cross mining floor roadway under the impact of multiple mining and carries out the engineering tests.The applying result shows that the stress concentration of the surrounding rock of cross mining roadway is weakened，and its distribution becomes more uniform；the damage extent and depth of the surrounding rock of the haulage lane are reduced；the piecewise dynamic support technology has important application value in the support area of deep short-distance cross-mining roadways.

deep mining，short distance cross mining，variable intervals，coal roadway，dynamic strata behavior law，dynamic coupling support

TD325

A

劉心廣 （1965-），男，山東嘉祥人，現(xiàn)任兗州煤業(yè)股份有限公司濟(jì)寧二號煤礦副礦長、總工程師，高級工程師，研究方向?yàn)椴傻V工程技術(shù)。

（責(zé)任編輯 張毅玲）