淺析常村煤礦31101綜采工作面沿空留巷柔模(局部)變形因素和治理方案

王虎偉

(潞安環(huán)能股份公司 常村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046204)

1 概 述

1.1 問(wèn)題提出

根據(jù)常村煤礦實(shí)際情況巷道圍巖的穩(wěn)定性主要存在的問(wèn)題基本體現(xiàn)在31101綜放工作面本區(qū)段的采動(dòng)影響。31101綜放工作面超前支護(hù)采用的是膠帶巷超前維護(hù)距離動(dòng)態(tài)不小于30 m，0～10 m采用一梁三柱單體柱π型梁(4.6 m)棚支護(hù)，排距800 mm，10～30 m采用一梁二柱單體柱π型梁(4.6 m)棚支護(hù)，棚距800 mm；進(jìn)風(fēng)巷超前支護(hù)長(zhǎng)度動(dòng)態(tài)保持30 m，采用單體柱π型梁(3.6 m)棚支護(hù)，前10 m為一梁三柱，10～30 m為一梁二柱，排距800 mm，在單體柱π梁棚與里幫煤墻間交錯(cuò)架設(shè)兩排一梁二柱單體柱π型梁(1.8 m)抬棚，棚距800 mm。

31101綜放工作面推進(jìn)過(guò)程中，由于大面積的回采，該工作面前方的煤體上造成了超前支撐壓力作用，從而影響了巷道的服務(wù)年限間內(nèi)的圍巖變形和破壞。這樣無(wú)法保證巷道的斷面形狀和尺寸，為人員和設(shè)備的安全施工提供可靠有利的條件。

為了節(jié)能降耗，提升31101綜放工作面的煤炭資源回收率、降低巷道的維護(hù)成本和再次掘進(jìn)率，逐步開(kāi)始對(duì)31101綜放工作面的沿空留巷、沿空掘巷進(jìn)行了對(duì)實(shí)際情況開(kāi)始探索研究。31101綜放工作面沿空留巷是構(gòu)筑巷旁支護(hù)結(jié)構(gòu)，在受到采區(qū)巖層劇烈活動(dòng)的影響下，巷道頂?shù)装暹€是兩旁都受到劇烈的影響，無(wú)論是頂?shù)装暹€是兩幫都產(chǎn)生不同的變形巷道造成維護(hù)困難。根據(jù)實(shí)際研究表明，做出了對(duì)巷道圍巖變形的主要措施：①使用合理的主動(dòng)支護(hù)來(lái)控制巷道圍巖的變形；②載荷體的圍巖變成承載體來(lái)控制圍巖的變形；③使用合理的方法增加圍巖強(qiáng)度從而減小巷道的圍巖變形。由于巷道的布置位置受到地質(zhì)條件和開(kāi)采條件的限制，部分沿空留巷的顯現(xiàn)規(guī)律出現(xiàn)了不同的變化，因此還需要再次深入研究31101綜放工作面沿空留巷的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，并選擇合理的煤柱設(shè)計(jì)來(lái)控制和保證巷道穩(wěn)定性，從而保證安全生產(chǎn)和節(jié)能降耗，成為學(xué)者和煤炭企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)人關(guān)注的焦點(diǎn)。

常村煤礦是潞安集團(tuán)主要生產(chǎn)礦井，受礦區(qū)規(guī)劃、布置和歷史人文等因素的影響，巷道和采空區(qū)屬于復(fù)雜型。常村煤礦31101綜放工作面西部為31102綜放工作面(未回采)，北部為輔助回風(fēng)大巷，南部為礦界，東部為待掘的沿空掘巷。31101綜放工作面與待掘巷道成異型煤柱，保留煤柱為1.5～20 m。與31102關(guān)系為留窄煤柱進(jìn)行沿空掘巷，受采空區(qū)影響劇烈，柔模圍巖變形，形成了巷道支護(hù)困難。

1.2 研究現(xiàn)狀

1) 合理的煤柱留設(shè)研究。

2) 綜放工作面的沿空留巷、掘巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

3) 綜放工作面的沿空掘巷、留巷的圍巖控制與支護(hù)技術(shù)。

1.3 研究方法及技術(shù)路線

1.3.1 煤柱(柔模)的強(qiáng)度研究

1) 根據(jù)大板裂隙理論對(duì)煤柱(柔模)進(jìn)行強(qiáng)度研究，按照31101綜放工作面采空區(qū)的走向剖面作為邊界受載荷作用的大板中的一個(gè)孔口，根據(jù)彈性斷裂理論計(jì)算孔口端部的煤柱應(yīng)力變化情況。

2) 核區(qū)強(qiáng)度不等理論的研究。綜合采用長(zhǎng)煤柱的破壞面積計(jì)算，將煤柱的實(shí)際應(yīng)力和核區(qū)強(qiáng)度相結(jié)合，總結(jié)計(jì)算出核區(qū)不同位置和不同強(qiáng)度。因常數(shù)復(fù)雜、變化性過(guò)大，從而減少了實(shí)際的實(shí)用性。

3) 極限平衡理論。煤柱的頂面和中性面所受的垂直應(yīng)力的分布狀態(tài)，結(jié)合彈性理論相關(guān)公式計(jì)算條帶開(kāi)采中的采空區(qū)的應(yīng)力變化情況，從結(jié)論中做出對(duì)不同的地質(zhì)構(gòu)造和特殊的地質(zhì)條件中長(zhǎng)臂條帶開(kāi)采對(duì)煤柱的留設(shè)做出選擇，結(jié)合應(yīng)力的平衡計(jì)算方式和庫(kù)倫準(zhǔn)則計(jì)算出留設(shè)煤柱的應(yīng)力極限平衡區(qū)的寬度。

1.3.2 煤柱(柔模)荷載理論研究

有效區(qū)域理論、壓力拱理論和AHWilson的兩區(qū)約束理論。

1.4 沿空掘、留巷圍巖控制和支護(hù)

國(guó)外的“壓力拱假說(shuō)”、“新奧法”和“能量支護(hù)理論”統(tǒng)一基本定論是通過(guò)加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)將圍巖的應(yīng)變控制在許可范圍內(nèi)，因而主張利用支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖的相互作用共同成為支撐環(huán)，在支護(hù)作用下，雖然吸收并釋放了部分能量，使其能量的總和沒(méi)有改變，從而支護(hù)結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)圍巖的釋放能量和支護(hù)吸收的能量可以相互調(diào)節(jié)。但是“壓力拱假說(shuō)”對(duì)圍巖卸載的原因、巖層的變形、破壞和發(fā)展過(guò)程和圍巖與支架的相互作用并未做出明確的解釋。

國(guó)內(nèi)以“軸變理論”、“開(kāi)挖系統(tǒng)供應(yīng)理論”為主；巷道的圍巖破壞自巷道開(kāi)挖后地應(yīng)力受到巷道垮落而產(chǎn)生變化，根據(jù)巷道的彈塑性理論來(lái)分析，巷道的垮落也可以自行穩(wěn)定，巷道的圍巖破壞是地應(yīng)力超過(guò)巖體強(qiáng)度的極限引起的，垮落后改變了巷道的軸比，致使應(yīng)力重新分布，從而造成了高應(yīng)力下降低應(yīng)力上升的情況，導(dǎo)致向無(wú)壓力的地方均勻分布發(fā)展，直到穩(wěn)定之后停止。在應(yīng)力均勻分布軸比成為巷道穩(wěn)定的軸比，形狀為橢圓形。巷道開(kāi)挖后破壞了巖體基本平衡，因此存在相關(guān)的組織功能，能改變圍巖變形和支護(hù)的結(jié)構(gòu)力能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，驗(yàn)證了其可行性和科學(xué)性。

2 綜放工作面沿空留巷、沿空掘巷的應(yīng)力分布規(guī)律

31101綜放工作面在回采放頂之后，由于31101工作面的地質(zhì)條件影響的情況下，沿空留巷的方向由于煤層的采放厚度較大，也無(wú)法做到一次全部垮落，從而導(dǎo)致垮落的矸石根本不能滿足充滿采空區(qū)部分，導(dǎo)致老頂在采空區(qū)的邊緣發(fā)生斷裂，并使老頂基于下沉狀態(tài)，頂板的彎曲狀態(tài)也存在變化，最后導(dǎo)致向采空區(qū)方向傾斜，直至最后發(fā)展成為向煤體內(nèi)轉(zhuǎn)移的情況。在此過(guò)程中受采動(dòng)的影響，工作面的超前10 m范圍內(nèi)，巷旁的充填體受到了垂直應(yīng)力的作用下開(kāi)始對(duì)稱分布，距離超過(guò)超前距離時(shí)出現(xiàn)了非均勻的下沉情況，特別是在二次采動(dòng)的過(guò)程中這種現(xiàn)象更加明顯。頂板的斷裂角度加大時(shí)，巷道的圍巖應(yīng)力得到很大的改變空間，這點(diǎn)為31101工作面的沿空留巷創(chuàng)造了最佳條件。

31101工作面回采后沿空留巷形成了內(nèi)部的相關(guān)破碎區(qū)，承載能力相對(duì)較小，相反方向31101綜放工作面方向采煤放頂?shù)耐瑫r(shí)形成超前支撐壓力，在超前支承壓力的作用下煤柱進(jìn)一步壓碎破碎，使頂板再一次發(fā)生斷裂，巷道壓力及變形極具加大。沿空掘巷、沿空留巷在巷道壓力作用前維護(hù)較容易，受采動(dòng)超前支撐壓力時(shí)維護(hù)造成了困難。

3 31101綜放工作面的沿空留巷的圍巖控制原理

3.1 窄煤柱穩(wěn)定是控制圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵因素

為了提倡集團(tuán)公司節(jié)能降耗不浪費(fèi)煤炭資源，留設(shè)窄煤柱是減少煤柱損失，最大程度提高煤炭的回收率，窄煤柱留設(shè)的最佳選擇。但窄煤柱必須要設(shè)計(jì)出一個(gè)合理的寬度，不僅具有巷道支護(hù)體載荷力小，還要保留巷道的圍巖完整。煤柱留設(shè)的寬度選擇對(duì)巷道圍巖的變形影響，主要存在以下幾個(gè)方面：①頂板下沉；②實(shí)體煤幫的移近，主要體現(xiàn)在向采空區(qū)的側(cè)水平位移和巷道方向位移。根據(jù)31101工作面的位置關(guān)系和極限平衡理論煤柱的計(jì)算公式：B=X1+X2+X3；X1為采空區(qū)側(cè)煤體的塑形寬度；X2為煤柱的穩(wěn)定系數(shù)，取值為X1+X3的50%；X3為錨桿的有效長(zhǎng)度。

3.2 使用高阻讓壓支護(hù)來(lái)控制圍巖變形

由于受到31101工作面的地質(zhì)條件的影響下，應(yīng)力明顯增加出現(xiàn)巷道的地板鼓起，頂板下沉和兩幫發(fā)生位移的變化，造成了巷道的多次維護(hù)。體現(xiàn)出了回采過(guò)程中產(chǎn)生的靠近采空區(qū)的單側(cè)壓力集中向煤柱產(chǎn)生壓力，造成了原始應(yīng)力的靜壓狀態(tài)。造成了支護(hù)作用的阻力也不能阻止圍巖的變化和充填體的變形狀態(tài)。再加上回采巷道的服務(wù)年限沒(méi)有達(dá)到最高設(shè)計(jì)要求，在允許的情況下，可以產(chǎn)生部分微小情況下變形狀態(tài)，31101工作面的留巷支護(hù)在具有高壓阻力的條件下，還要具有巷道比較大的變形性能，從而防止在高支撐壓力情況下的破壞和其他不穩(wěn)定因素的破壞，應(yīng)用高阻讓壓支護(hù)在控制綜放沿空掘巷掘進(jìn)巷道圍巖變形得到更好的控制。

3.3 在使用高強(qiáng)度錨桿支護(hù)強(qiáng)化巷道圍巖的強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)研究

巷道的圍巖是個(gè)承載體，支護(hù)和圍巖是不可分離的共同承載者。錨桿支護(hù)實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)支護(hù)、及時(shí)支護(hù)合理的密度放射狀布置，保留了主動(dòng)擠壓控制圍巖的整體性。高強(qiáng)度錨桿支護(hù)的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率有效改變了巷道環(huán)境，使用高強(qiáng)度錨桿支護(hù)產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力場(chǎng)滿足了巷道應(yīng)力分布需求。在高強(qiáng)度錨桿支護(hù)作用下，有效控制應(yīng)力的分布狀態(tài)，改善了巷道的穩(wěn)定情況。

4 31101綜放工作面的沿空留、掘巷實(shí)際情況和處理方法

目前31101工作面沿空留巷已留巷785 m，目前巷道部分區(qū)段受應(yīng)力變形嚴(yán)重，現(xiàn)將巷道內(nèi)受應(yīng)力變形區(qū)域分類簡(jiǎn)述如下。

4.1 頂板下沉明顯，需挑頂處理區(qū)段

1) 40～120號(hào)柔模包位置(全長(zhǎng)155 m)及措施巷口(距工作面切眼639 m)，該區(qū)段主要表現(xiàn)為頂板下沉明顯，下沉量為810～1 000 mm，且局部出現(xiàn)墜包，巷道最低點(diǎn)位于110號(hào)包，巷道最低點(diǎn)高度為2.36 m，部分頂板已經(jīng)擠壓綜合管網(wǎng)，該區(qū)段已打設(shè)木垛7個(gè)，近期該區(qū)段巷道穩(wěn)定，變形量未擴(kuò)大。

2) 149～156號(hào)柔模包位置(距工作面切眼400 m，全長(zhǎng)28 m)，該區(qū)段主要表現(xiàn)為頂板下沉明顯，下沉量為700～1 000 mm，且局部出現(xiàn)墜包，巷高范圍為2.4～3.2 m，部分頂板已經(jīng)擠壓綜合管網(wǎng)。

3) 183～185號(hào)柔模包位置(距工作面切眼305 m)，巷道頂板整體下沉，下沉量為600～1 000 mm，巷高范圍2.4～2.9 m。

4.2 底鼓明顯，需拉底處理區(qū)段

1) 23～27號(hào)柔模包位置(距工作面切眼840 m)，該區(qū)段底鼓最大高度達(dá)800 mm，巷高范圍為2.6～3.0 m。

2) 130～144號(hào)柔模包位置(距工作面切眼485 m)，該區(qū)段底鼓最大高度達(dá)1 000 mm，巷高范圍為1.7～2.6 m，部分頂板已經(jīng)擠壓綜合管網(wǎng)，該位置巷道中部已經(jīng)拉底，拉底寬度0.8 m，深度0.6 m。

3) 189～201號(hào)柔模包位置(距工作面切眼255 m)，該區(qū)段主要表現(xiàn)為巷道底鼓及頂板墜包，底鼓最大高度達(dá)800 mm，目前外圍隊(duì)組正在該區(qū)域拉底。

4.3 頂板墜包，需挑頂處理的區(qū)域

頂板墜包主要分布在80號(hào)、85號(hào)、93號(hào)、94號(hào)、96號(hào)、188號(hào)、191號(hào)、192～193號(hào)、196號(hào)、207號(hào)、208號(hào)、209號(hào)和240～243號(hào)這些區(qū)段受巷道頂板墜包影響，巷高范圍為2.2～2.8 m，部分墜包與上部巷道頂板離層，巷道頂板π型梁被墜包包裹或變形，這些區(qū)域需挑頂處理墜包。

4.4 錨桿、錨索失效，需補(bǔ)打錨桿、錨索區(qū)段

目前沿空留巷中柔模側(cè)頂板錨索失效情況較為嚴(yán)重，22～202號(hào)柔模位置靠柔模側(cè)錨索普遍失效；錨桿失效嚴(yán)重區(qū)域在171～178號(hào)柔模區(qū)域，該區(qū)域現(xiàn)補(bǔ)架單體柱棚15架，但為保證巷道斷面還需及時(shí)補(bǔ)打錨桿、錨索。

4.5 外幫煤墻變形，需擴(kuò)幫區(qū)段

沿空留巷從216號(hào)柔模包(距工作面210 m)位置幫部鼓出加劇，其中最嚴(yán)重區(qū)域位于207～208號(hào)柔模包(距工作面230 m)、202～204號(hào)柔模包(距工作面242 m)，最大鼓出量550 mm，這兩個(gè)區(qū)段外側(cè)煤墻已擠壓支護(hù)單體柱，需及時(shí)回柱并重新打設(shè)。

4.6 沿空留巷中單體柱死柱集中，需及時(shí)回柱補(bǔ)打單體柱區(qū)域

43～49號(hào)、132號(hào)、180號(hào)、183～185號(hào)和200～201號(hào)柔模包位置單體柱死柱數(shù)量較多，需及時(shí)處理。

4.7 沿空留巷中柔模包剪切破壞情況

31101工作面沿空留巷共計(jì)有12個(gè)柔模包出現(xiàn)明顯的剪切破壞，分別是77號(hào)、87號(hào)、92號(hào)、93號(hào)、94號(hào)、95號(hào)、98號(hào)、102號(hào)、107號(hào)、110號(hào)、114號(hào)和117號(hào)。

4.8 目前沿空留巷支護(hù)情況說(shuō)明

掘三隊(duì)六組頂板及煤幫聯(lián)網(wǎng)開(kāi)始位置位于218號(hào)柔模包，工作面回棚已經(jīng)回至216號(hào)柔模包，靠近工作面切眼最近的沿空巷變形位置位于243號(hào)架(距切眼110 m)，該區(qū)域單體柱出現(xiàn)彎柱，頂梁斷裂。

常村煤礦所采煤層為3號(hào)煤層，賦存于二疊系山西組地層中，為瀉湖泊相沉積。31101綜放工作面處于背斜西翼，煤層厚度穩(wěn)定，工作面煤層厚度6.7～7.1 m，平均煤厚6.9 m。全煤中間夾有一層夾矸，厚度為0.1～0.35 m，平均厚度為0.2 m。煤層傾角為0～10°，平均2°。煤層埋藏深度為404～425 m，距9號(hào)煤層平均距離為59.9 m。煤層老頂為細(xì)砂巖、粉砂巖組成，厚度在12～25 m；直接頂為泥巖、砂質(zhì)泥巖厚度在5～13 m；偽底為砂質(zhì)泥巖，厚度在0.2～0.4 m；直接底為粉砂巖、細(xì)砂巖組成，厚度在1.2～4.5 m；老底為砂質(zhì)泥巖組成，厚度在5～15 m。采用綜合放頂煤采煤法，沿空留巷采用高強(qiáng)度錨桿支護(hù)，沿著煤層底板掘進(jìn)。

因此31101綜合放頂煤工作面的沿空留巷巷道的支護(hù)具有較高阻力的同時(shí)，還應(yīng)具有較大的變形發(fā)生的可能，從而使圍巖的變形能量得到釋放而讓壓作用，導(dǎo)致圍巖變形失去控制而失去穩(wěn)定性。高阻讓壓支護(hù)控制工作面的嚴(yán)控掘、留進(jìn)巷道圍巖變形。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 高強(qiáng)度錨桿支護(hù)的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率有效的改變了巷道環(huán)境，使用高強(qiáng)度錨桿支護(hù)產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力場(chǎng)滿足了巷道應(yīng)力分布需求。在高強(qiáng)度錨桿支護(hù)作用下，有效控制應(yīng)力的分布狀態(tài)，使應(yīng)力想多向應(yīng)力分布狀態(tài)，改善了巷道的穩(wěn)定情況。

2) 提高窄煤柱的承載能力、維護(hù)其穩(wěn)定性，從而加大巷道的服務(wù)年限和維修成本。

3) 及時(shí)對(duì)沿空留、掘巷的小變形階段在開(kāi)始階段進(jìn)行維護(hù)。

4) 合理有效布置巷道，使原巖應(yīng)力的重新分部存在的問(wèn)題減少，減少破壞原巖應(yīng)力的平衡狀態(tài)，引起應(yīng)力轉(zhuǎn)移的狀態(tài)。