綜采工作面末采回撤通道圍巖變形控制研究

張 杰，陳 誠，甄 澤，王 斌，白文勇，何義峰

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.榆林市楊伙盤煤礦，陜西 榆林 719300)

綜采工作面在回采完成后，確?；爻吠ǖ绹鷰r的穩(wěn)定是實(shí)現(xiàn)工作面設(shè)備安全、快速回撤的重要保證[1，2]。在神東礦區(qū)，通常采用預(yù)掘回撤通道的方式以實(shí)現(xiàn)工作面設(shè)備順利回撤，該種施工方式巷道不受采動(dòng)影響，初始支護(hù)質(zhì)量高，可以和工作面采煤同時(shí)進(jìn)行，能夠大量節(jié)省工作面設(shè)備的搬家時(shí)間，達(dá)到快速搬家的目的[3，4]。根據(jù)以往類似生產(chǎn)實(shí)踐，當(dāng)回撤通道圍巖支護(hù)強(qiáng)度不足時(shí)，巷道會(huì)出現(xiàn)片幫、頂板下沉等現(xiàn)象，給綜采設(shè)備回撤帶來一定的危險(xiǎn)性，從而嚴(yán)重影響工程進(jìn)度和工作面的接替工作。因此，眾多學(xué)者一直以來致力于回撤通道支護(hù)技術(shù)研究，并取得了許多寶貴的理論和技術(shù)研究成果。張延明[5]通過分析巷道支護(hù)原理，采用錨網(wǎng)索一次支護(hù)、頂板注漿加固、打設(shè)木垛二次支護(hù)技術(shù)，解決了回撤通道支護(hù)的困難。劉加旺[6]等通過對(duì)綜采面收尾和回撤階段礦壓數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而掌握頂板巖層運(yùn)動(dòng)及礦壓顯現(xiàn)特征，進(jìn)一步優(yōu)化回撤巷的支護(hù)參數(shù)。趙軍[7]以某礦預(yù)掘大斷面回撤通道為例，應(yīng)用有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算軟件模擬了工作面與回撤通道不同距離時(shí)圍巖變形與破壞的特征，證明在錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)的基礎(chǔ)上，再采用垛式支架加強(qiáng)支護(hù)是比較適合回撤通道的支護(hù)形式。本文以韓家灣煤礦3304工作面回撤通道圍巖合理控制為研究課題，分別采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、理論分析及數(shù)值計(jì)算的方法，分析了回撤通道圍巖的變形特征，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)條件選取最合理的支護(hù)方案，最終達(dá)到工作面安全、高效回撤的目的。

1 工作面概況

韓家灣煤礦3304工作面為3-1煤的第四個(gè)回采工作面，采用預(yù)掘單回撤通道[8，9]的方式進(jìn)行搬家倒面工作，其工作面上部為2-2煤三盤區(qū)采空區(qū)，北臨3303綜采工作面采空區(qū)，南接3401備采工作面，東臨井田邊界，西臨3-1煤西翼大巷。工作面寬258m，煤層埋深155m，煤層平均厚度為2.7m，結(jié)構(gòu)簡單，傾角約1.5°。該工作面直接頂由粉砂巖組成，厚度為1.5m；老頂主要由細(xì)粒砂巖組成，以石英、長石為主，粉砂巖紋層，厚度為30.1m；直接底由粉砂巖組成，厚度為3.5m。煤巖層柱狀圖如圖1所示。

圖1 煤巖層柱狀圖

2 預(yù)掘回撤通道圍巖變形監(jiān)測(cè)分析

2.1 回撤通道圍巖松動(dòng)圈監(jiān)測(cè)方案

為更好地監(jiān)測(cè)3304工作面在末采期回撤通道的圍巖變形量，根據(jù)松動(dòng)圈支護(hù)理論[10]，在回撤通道布置窺視測(cè)站。本次監(jiān)測(cè)設(shè)備采用CXK12礦用本安型鉆孔成像儀，通過視頻采集圍巖變形情況，從而進(jìn)行定量分析圍巖的穩(wěn)定性?；爻吠ǖ栏Q視孔測(cè)站布置如圖2所示，在距離運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷30m位置分別布置C1和C3測(cè)站，在巷道中部布置C2測(cè)站，每個(gè)測(cè)站分別設(shè)計(jì)3個(gè)鉆孔，頂板孔深7000mm，兩幫孔深2000mm，測(cè)孔直徑均為42mm。

圖2 回撤巷窺視孔測(cè)點(diǎn)布置

2.2 圍巖松動(dòng)圈監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

1)當(dāng)工作面距回撤通道42m位置時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際施工情況及圍巖的穩(wěn)定性，通過窺視儀對(duì)測(cè)點(diǎn)的探測(cè)截取下列異常圖片進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分析。在此處，由于回撤通道受工作面開采擾動(dòng)[11，12]較小，巷道兩幫及頂板圍巖穩(wěn)定性相對(duì)較好。觀測(cè)結(jié)果得出：回撤通道右?guī)退蓜?dòng)圈范圍為0.2～0.5m左右；巷道左幫由于受到工作面開采擾動(dòng)的影響，圍巖松動(dòng)圈范圍在0.6～0.8m左右；巷道頂板由于受到覆巖運(yùn)動(dòng)的影響，C1測(cè)點(diǎn)觀測(cè)得到巷道頂板松動(dòng)圈范圍為2.1～3.3m，裂隙呈縱向發(fā)育。C1測(cè)站頂板松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 C1測(cè)站頂板松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果

2)隨著工作面的不斷推進(jìn)，當(dāng)工作面距離回撤通道15m位置時(shí)，工作面頂板出現(xiàn)淋水現(xiàn)象，積水排入回風(fēng)巷，從而對(duì)回撤通道造成影響。C1測(cè)站圍巖松動(dòng)圈觀測(cè)結(jié)果得出：巷道左幫松動(dòng)范圍為0.2～1.4m左右，縱向延伸裂隙發(fā)育較明顯，同時(shí)孔壁局部出現(xiàn)破碎面；巷道右?guī)退蓜?dòng)范圍為0～0.6m左右，相比左幫圍巖較完整，穩(wěn)定性較好；頂板松動(dòng)圈范圍為0～4.5m，相比42m位置時(shí)，松動(dòng)范圍擴(kuò)大了1.2m。C1測(cè)站左幫松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 C1測(cè)站左幫松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果

2.3 巷道表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

為充分掌握回撤通道在末采過程中的圍巖破壞情況，以及采用的支護(hù)方案是否合理。現(xiàn)需要對(duì)回撤通道的支護(hù)狀況和圍巖變形量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過監(jiān)測(cè)儀器及時(shí)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)出、處理及分析。

2.3.1 巷道受工作面影響狀況

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)可知：當(dāng)工作面距回撤通道15m位置時(shí)，回風(fēng)巷臨近工作面?zhèn)让罕谄瑤蛧?yán)重，部分錨桿(索)被拉斷，錨網(wǎng)破壞；靠近回風(fēng)巷側(cè)，回撤通道頂板下沉量約0.41m，而另一側(cè)下沉量約0.18m。此處巷道破壞分析見表1。

表1 巷道破壞特征

由上述分析可知，在末采階段，當(dāng)巷道受到工作面超前支承壓力[13，14]、開采擾動(dòng)及積水等影響，導(dǎo)致其圍巖穩(wěn)定性變差，促使安設(shè)的錨桿(索)錨固能力下降，不能有效地加固圍巖，從而造成回風(fēng)巷及回撤通道圍巖出現(xiàn)片幫、頂板下沉等破壞現(xiàn)象。

2.3.2 圍巖變形量監(jiān)測(cè)

當(dāng)工作面距回撤通道50m位置時(shí)，開始對(duì)預(yù)先布置好的C1、C2和C3測(cè)點(diǎn)進(jìn)行圍巖變形量監(jiān)測(cè)[15]，結(jié)果如圖5所示。圍巖變形量與工作面推進(jìn)距離成正相關(guān)，在相距50～20m之間，變形量呈緩慢的增長趨勢(shì)；但在20m左右開始變形量急劇增加，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)支架阻力數(shù)據(jù)分析，在15m位置處工作面發(fā)生一次大的周期來壓，促使回撤通道圍巖變形量急劇增大。

圖5 回撤巷表面位移監(jiān)測(cè)曲線

3 回撤通道圍巖變形理論分析

隨著工作面不斷推進(jìn)，回撤通道與工作面之間的煤體不斷減小，實(shí)質(zhì)上形成一個(gè)寬度不斷減小的矩形煤柱，其對(duì)回撤通道的影響主要分為兩個(gè)階段：①當(dāng)工作面剩余煤柱較寬時(shí)，其回撤通道穩(wěn)定性較好，基本不受工作面開采的影響；②當(dāng)工作面剩余煤柱寬度較小時(shí)，回撤通道會(huì)受到工作面開采的動(dòng)壓影響，需要對(duì)巷道圍巖進(jìn)行加固處理。以下主要分析當(dāng)回撤通道處于第二階段時(shí)巷道圍巖的應(yīng)力變化特征。

3.1 動(dòng)壓影響下工作面剩余煤柱載荷計(jì)算

在回撤工作中，回撤通道在掘出期間和工作面開采階段都有覆巖運(yùn)動(dòng)載荷，當(dāng)工作面不斷向前推進(jìn)時(shí)，其工作面后方的冒落拱會(huì)不斷向前移動(dòng)，如圖6所示。

圖6 工作面采空區(qū)上方冒落拱示意圖

作用在工作面剩余煤柱的載荷主要由兩部分形成：一部分是工作面后方冒落矸石的轉(zhuǎn)移載荷P1；另一部分是預(yù)掘回撤通道上方巖石的轉(zhuǎn)移載荷P2。

工作面后方冒落矸石轉(zhuǎn)移到煤柱上的載荷P1[16]為：

式中，γ為覆巖容重，取25kN/m3；H為煤層埋深，取155m；L為工作面剩余煤柱，m；D為支架控頂距，取5.70m；W為工作面后方冒落拱寬度，m；φk為頂板巖層內(nèi)摩擦角，(°)；fk為巖石堅(jiān)固性系數(shù)。

冒落拱跨度W為：

式中，M為工作面采高，取2.70m；σc為直接頂單軸抗壓強(qiáng)度，取25.70MPa。

冒落拱高度h為：

由式(1)—式(3)計(jì)算可得：工作面剩余煤柱受到采空區(qū)一側(cè)的載荷P1為：

同理，工作面剩余煤柱受預(yù)掘回撤通道上方巖石的轉(zhuǎn)移載荷P2為：

式中，a為回撤通道寬度，4.50m。

綜上，作用在剩余煤柱上的總載荷P為：

3.2 工作面剩余煤柱應(yīng)力分布規(guī)律

隨著采煤工作面逐漸接近回撤通道，剩余煤柱不斷減小，當(dāng)煤柱的平均應(yīng)力達(dá)到極限強(qiáng)度后，煤柱屈服。因此，工作面剩余煤柱的極限強(qiáng)度σp可根據(jù)Mark-Bieniaski[17]公式計(jì)算：

根據(jù)韓家灣煤礦3304工作面的工程條件，由式(7)和式(8)繪制工作面剩余煤柱平均應(yīng)力變化規(guī)律曲線，如圖7所示。由圖7可知，煤柱平均應(yīng)力與工作面剩余煤柱寬度成反比，由圖7(a)看出，當(dāng)煤柱寬度不斷減小時(shí)，煤柱應(yīng)力的增幅明顯不同，煤柱由50m減小至15m時(shí)，應(yīng)力僅增大0.90MPa；煤柱由15m減小至5m時(shí)，應(yīng)力增大2.62MPa。由此得知，當(dāng)煤柱越小時(shí)，應(yīng)力增幅越快，說明受到工作面超前支承壓力的影響越大。由圖7(b)看出，煤柱強(qiáng)度與工作面剩余煤柱寬度成正比，當(dāng)工作面剩余煤柱為2.2m時(shí)，兩曲線存在交點(diǎn)，此時(shí)，煤柱將發(fā)生屈服，當(dāng)煤柱寬度進(jìn)一步減小時(shí)，煤柱強(qiáng)度將低于煤柱應(yīng)力。

圖7 工作面剩余煤柱平均應(yīng)力變化規(guī)律

從以上分析得知，工作面剩余煤柱失穩(wěn)的危險(xiǎn)主要發(fā)生在當(dāng)煤柱發(fā)生屈服之后，此時(shí)工作面剩余煤柱進(jìn)入破壞后階段。即使此時(shí)工作面剩余煤柱發(fā)生脆性破壞，但由于回撤通道和工作面之間空頂距較小，在回撤通道內(nèi)部支護(hù)和外部支護(hù)共同聯(lián)合支護(hù)下，也能夠保證工作面的安全回撤。

4 回撤通道圍巖控制數(shù)值模擬分析

4.1 回撤通道圍巖控制方案設(shè)計(jì)

對(duì)回撤通道圍巖支護(hù)而言，一般可以分為巷道的外部支護(hù)及巷道的內(nèi)部支護(hù)兩種方式。外部支護(hù)主要常見的有單體支護(hù)、垛式支護(hù)等，內(nèi)部支護(hù)最常見的錨桿(索)、錨網(wǎng)支護(hù)方式。3304工作面回撤通道的斷面設(shè)計(jì)為矩形，巷道高3.0m，寬4.5m，根據(jù)同煤層回撤通道的圍巖控制效果，該巷道將結(jié)合兩種支護(hù)方式對(duì)回撤通道圍巖進(jìn)行控制，即采取垛式支架與圍巖內(nèi)部支護(hù)形式?；爻吠ǖ纼?nèi)部不同支護(hù)方案設(shè)計(jì)見表2。

表2 回撤通道內(nèi)部支護(hù)方案設(shè)計(jì)

4.2 模型的建立

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，以韓家灣煤礦3304工作面回撤通道為研究對(duì)象，采取莫爾-庫倫模型：四周水平位移約束，下沉自由，底部三個(gè)方向位移全部限制，上部為自由邊界并施加3.4MPa的均布載荷。計(jì)算模型走向長度為400m，傾斜寬度為200m，高155m。數(shù)值模型計(jì)算中煤巖體的物理力學(xué)及支護(hù)參數(shù)以實(shí)驗(yàn)室測(cè)試實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，計(jì)算參數(shù)見表3。

表3 計(jì)算參數(shù)

4.3 不同控制方案對(duì)回撤通道圍巖控制效果分析

由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和理論計(jì)算分析得知，當(dāng)工作面煤柱剩余15m時(shí)，此時(shí)回撤通道受工作面采動(dòng)影響愈加明顯。因此，現(xiàn)對(duì)工作面剩余煤柱為15m時(shí)，對(duì)比三種支護(hù)方式對(duì)圍巖的控制效果，模擬結(jié)果如圖8—圖10所示，當(dāng)回撤通道受到工作面開采擾動(dòng)時(shí)，原巖應(yīng)力[16]集中轉(zhuǎn)移到工作面剩余煤柱上，對(duì)回撤通道圍巖支護(hù)效果做出以下分析：

圖8 方案一回撤通道圍巖控制模擬結(jié)果

圖9 方案二回撤通道圍巖控制模擬結(jié)果

圖10 方案三回撤通道圍巖控制模擬結(jié)果

1)由圖8—圖10塑性區(qū)分布特征可知，回撤通道的破壞原因主要有兩方面：一方面是受到巷道開挖時(shí)應(yīng)力的重新分布影響；另一方面是由于工作面推進(jìn)時(shí)，受到工作面的開采擾動(dòng)影響。從而，通過對(duì)比方案一和方案二對(duì)回撤通道圍巖的控制效果，分析可知回撤通道的幫角處受到剪切破壞，方案一中塑性區(qū)范圍達(dá)到1700mm，垂直應(yīng)力集中在巷幫的2m處，最大達(dá)到4.9MPa，巷道圍巖承載結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)載荷較劇烈，導(dǎo)致頂?shù)装逡平孔畲筮_(dá)到204mm。當(dāng)對(duì)錨桿(索)間排距、型號(hào)及錨固劑型號(hào)進(jìn)行調(diào)整后，方案二塑性區(qū)范圍減小900mm，頂部減小500mm，垂直應(yīng)力增大到5.5MPa，頂?shù)装逡平繙p小了115mm，較方案一支護(hù)情況，圍巖變形量較小。

2)對(duì)比方案二和方案三可知，當(dāng)把頂板錨索排距增大200mm時(shí)，方案三塑性區(qū)范圍為1000mm，較方案二增大至200mm，垂直應(yīng)力最大為5.0MPa，較方案二減小0.5MPa，方案三頂?shù)装逡平枯^方案二增大71mm。因此，說明在末采階段，動(dòng)壓影響下的垂直應(yīng)力會(huì)不斷轉(zhuǎn)移，當(dāng)錨桿(索)間排距增大時(shí)，難以確保圍巖的穩(wěn)定。

綜合分析，在該地質(zhì)條件下采取方案二的巷道支護(hù)方式最優(yōu)，能夠滿足工作面安全回撤的要求。

5 結(jié) 論

1)工作面末采階段，通過對(duì)回撤通道不同位置處圍巖變形量進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析表明：由于受工作面開采擾動(dòng)的影響，回撤通道臨近工作面一側(cè)圍巖松動(dòng)圈范圍整體較大，且圍巖變形量與工作面推進(jìn)距離成正相關(guān)；當(dāng)距回撤通道15m位置時(shí)，回撤通道頂?shù)装逡平繛?.43m，兩幫移近量為0.26m。

2)通過對(duì)回撤通道圍巖變形理論計(jì)算分析得出：工作面剩余煤柱的平均應(yīng)力與煤柱寬度成反比；工作面剩余煤柱的強(qiáng)度與煤柱寬度成正比；當(dāng)工作面剩余煤柱為2.2m時(shí)，煤柱將發(fā)生屈服現(xiàn)象，此時(shí)煤柱將發(fā)生脆性破壞，回撤巷道應(yīng)采取內(nèi)外共同支護(hù)才能確?；爻饭ぷ鞯捻樌瓿?。

3)通過對(duì)回撤通道錨桿(索)的間排距、型號(hào)及錨固劑型號(hào)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)三種不同的支護(hù)方案，同時(shí)建立數(shù)值模型分別對(duì)圍巖的控制效果進(jìn)行模擬，結(jié)果表明：當(dāng)工作面剩余煤柱為15m時(shí)，采取方案二的支護(hù)方式，回撤通道受動(dòng)壓影響最小，再與垛式支架聯(lián)合控制下，能夠保證工作面的安全回撤。