迎采巷道圍巖穩(wěn)定分段控制技術(shù)研究

鄭俊杰

(山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 晉中 045400)

巷道圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)是決定巷道變形的重要因素之一[1-7]，對(duì)于迎采動(dòng)壓巷道，因?yàn)樵诰蜻M(jìn)期間會(huì)受到回采工作面支撐壓力的強(qiáng)擾動(dòng)影響，所以受力狀態(tài)更為復(fù)雜。根據(jù)回采工作面與迎采掘進(jìn)巷道的空間相對(duì)位置，可以將整個(gè)迎采動(dòng)壓巷道的受力狀態(tài)分為實(shí)體煤巷掘進(jìn)期、迎回采面掘進(jìn)強(qiáng)擾動(dòng)期、沿空掘巷期、本工作面回采時(shí)期四個(gè)階段。

1 迎采巷道沿空掘巷煤柱應(yīng)力分布

9110回風(fēng)巷為沿9號(hào)煤頂板掘進(jìn)的煤巷，設(shè)計(jì)全長(zhǎng)1 882 m，煤層平均厚度3.5 m，平均埋深536 m。直接頂為砂質(zhì)泥巖平均厚度8.4 m，老頂為粉砂巖平均厚度10.1 m。該巷道設(shè)計(jì)斷面尺寸為5.2 m×3.5 m，采用W鋼帶+金屬網(wǎng)+錨桿+錨索聯(lián)合支護(hù)。

本文以新元公司9110掘進(jìn)工作面的地質(zhì)資料為背景，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)工作面回采期間，迎采巷道在走向和傾向的應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)研究。因篇幅限制文章只列出模型分階段開(kāi)挖后各測(cè)點(diǎn)平衡后的計(jì)算結(jié)果。

為研究9109工作面回采期間對(duì)鄰近巷道的影響，在9109工作面采空區(qū)邊緣與待掘巷道區(qū)域內(nèi)以2 m為間隔布設(shè)一組測(cè)線，圖中正值表示該測(cè)線位于回采工作面的前方，負(fù)值表示該測(cè)線位于回采工作面的后方。由圖1可知，受工作面采動(dòng)影響，在該區(qū)域內(nèi)皆出現(xiàn)了一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力峰值點(diǎn)距9109工作面采空區(qū)邊緣的距離為16 m，峰值范圍為 18.2～31.1 MPa，是煤柱體內(nèi)原巖應(yīng)力的1.4～2.4倍，結(jié)合應(yīng)力峰值點(diǎn)的大小以及與回采工作面的相對(duì)位置關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，工作面推過(guò)測(cè)線后煤柱峰值應(yīng)力要普遍大于推過(guò)測(cè)點(diǎn)以前。煤柱體內(nèi)應(yīng)力分布呈現(xiàn)出明顯的分段特性，由9109工作面采空區(qū)邊緣至16 m處，應(yīng)力呈現(xiàn)出急速遞增的趨勢(shì)，從峰值點(diǎn)至約36 m的位置，應(yīng)力值逐漸遞減，40 m后煤柱應(yīng)力值逐漸趨穩(wěn)收斂至原巖應(yīng)力狀態(tài)。

圖1 迎采巷道沿空掘巷煤柱垂直應(yīng)力分布曲線

2 迎采時(shí)機(jī)的確定

本文在巷道頂板巖層布置一固定測(cè)點(diǎn)，以記錄回采工作面與迎采巷道在不同空間位置情形下巷道圍巖的受力特征。由圖2可知,當(dāng)工作面推進(jìn)到距離測(cè)點(diǎn)61.7 m時(shí)，迎采巷道開(kāi)始受超前支承壓力的影響，待開(kāi)挖煤巖體垂直應(yīng)力呈速遞增趨勢(shì)。在工作面推過(guò)該測(cè)點(diǎn)18.8 m后，垂直應(yīng)力已經(jīng)遞增至33.5 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)3.17。工作面推過(guò)測(cè)點(diǎn)后峰值應(yīng)力仍急速遞增，原因是工作面回采過(guò)后，采空區(qū)頂板懸頂未及時(shí)垮落，在-62.7～174 m范圍內(nèi)應(yīng)力分布呈“駝峰狀”，峰值應(yīng)力分別為28.3 MPa(-92.1 m)、24.2 MPa(-144 m)，當(dāng)掘進(jìn)頭滯后回采工作面174 m時(shí)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值逐漸收斂，并穩(wěn)定在18.1 MPa。所以在掘進(jìn)工作面迎9109工作面回采期間，掘進(jìn)頭在與回采工作面相對(duì)位置為61.7～-174 m的范圍內(nèi)時(shí)受采動(dòng)影響較大，最大應(yīng)力峰值點(diǎn)出現(xiàn)在滯后回采工作面18.8 m的位置。

圖2 迎采巷道頂板全過(guò)程應(yīng)力變化曲線

由圖2可知，9110進(jìn)風(fēng)巷迎頭距9109工作面的距離為61.7～-174 m時(shí)為強(qiáng)采動(dòng)影響區(qū)，該范圍內(nèi)共有3次應(yīng)力峰值點(diǎn)出現(xiàn)，應(yīng)力集中系數(shù)分別為3.17、2.68、2.29，其中最大峰值點(diǎn)出現(xiàn)在迎頭掘進(jìn)巷道滯后回采工作面18.8 m的位置。以此結(jié)論為基礎(chǔ)將整9110進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)作業(yè)分為兩個(gè)階段，其中S1-S2段迎頭巷道掘進(jìn)與回采作業(yè)同時(shí)進(jìn)行，當(dāng)兩者相距93 m(考慮1.5倍的安全系數(shù))時(shí)，掘進(jìn)頭停止作業(yè)，該段巷道受掘進(jìn)擾動(dòng)、9109工作面回采超前支撐壓力的疊加影響，圍巖穩(wěn)定性較差，所以在巷道支護(hù)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)必須適當(dāng)提高支護(hù)強(qiáng)度。S2-S3段當(dāng)工作面推過(guò)迎采掘進(jìn)頭261 m(考慮1.5倍的安全系數(shù))后，停掘工作面繼續(xù)向前掘進(jìn)，以避免回采工作面采空區(qū)頂板垮落運(yùn)動(dòng)對(duì)掘進(jìn)巷道的影響。巷道分段掘進(jìn)情況如圖3所示。

圖3 分段掘進(jìn)示意

3 迎采巷道不同掘進(jìn)段巷道位移規(guī)律分析

本節(jié)將以數(shù)值模擬提供的理論數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用十字布點(diǎn)法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)期間S1-S2段、S2-S3段的位移特征進(jìn)行研究。在頂?shù)装逯胁看怪狈较蚝蛢蓭退椒较蜚@孔，將D30 mm×400 mm的木樁打入孔中。頂板和上幫木樁端部安設(shè)彎形測(cè)釘，底板和下幫木樁端部安設(shè)平頭測(cè)釘。觀測(cè)方法為在C、D之間拉緊測(cè)繩，A、B之間拉緊鋼卷尺，測(cè)讀AO、AB值；在A、B之間拉緊測(cè)繩，C、D之間拉緊鋼卷尺，測(cè)讀CO、CD值，測(cè)量精度要求達(dá)到1 mm，如圖4所示。

圖4 十字布點(diǎn)示意(mm)

由圖5可知，S1-S2掘進(jìn)段巷道位移變化呈現(xiàn)出明顯的階段性，大體可分為四個(gè)階段。掘進(jìn)影響階段，迎頭巷道與回采工作面的相對(duì)距離為93～53.8 m，該段巷道頂?shù)装寮皟蓭偷奈灰屏枯^小分別為60 mm、46 mm?；夭沙安蓜?dòng)影響階段，隨著迎頭巷道與回采工作面相對(duì)距離的減小，掘進(jìn)巷道變形量呈現(xiàn)出快速遞增的趨勢(shì)，頂?shù)装迨諗苛窟_(dá)202 mm，兩幫移近量為115 mm，分別占整個(gè)觀測(cè)周期內(nèi)巷道變形量的30.1%、22.9%.回采滯后影響階段，該段掘進(jìn)巷道位于回采工作面后方 124 m的位置，受回采工作面采空區(qū)頂板回轉(zhuǎn)失穩(wěn)等大結(jié)構(gòu)變形的影響，此階段內(nèi)巷道變形也呈現(xiàn)出明顯的遞增趨勢(shì)，該段頂?shù)装寮皟蓭偷囊平糠謩e為619 mm、438 mm。趨穩(wěn)收斂階段。在經(jīng)歷前三個(gè)階段后掘進(jìn)巷道鄰近巖層變形趨于穩(wěn)定，頂?shù)装寮皟蓭妥冃嗡俾手饾u減少，并分別最終穩(wěn)定在672 mm、504 mm。S1-S2段巷道斷面維護(hù)效果如圖6所示。

圖5 S1-S2掘進(jìn)段監(jiān)測(cè)斷面位移

圖6 S1-S2段巷道維護(hù)效果

S2-S3段巷道開(kāi)掘前會(huì)依次經(jīng)歷掘進(jìn)超前支撐壓力、回采工作面超前支撐壓力、鄰近采空區(qū)頂板回轉(zhuǎn)失穩(wěn)、復(fù)掘開(kāi)挖多個(gè)階段的復(fù)雜應(yīng)力的疊加影響，因此巷道開(kāi)挖后會(huì)在短時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)出明顯的塑性變形特性及蠕變特性。如圖7所示，在滯后工作面269～375 m的區(qū)間內(nèi)巷道頂?shù)装寮皟蓭臀灰瞥士焖龠f增趨勢(shì)，數(shù)量值分別為128.8 mm、211.6 mm。之后巷道變形逐漸收斂，頂?shù)装寮皟蓭偷奈灰屏孔罱K穩(wěn)定在131.8 mm、212.8 mm。S2-S3段巷道斷面維護(hù)效果如圖8所示。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)S1-S2段巷道的變形量明顯大于S2-S3段巷道的變形量。

圖7 S2-S3掘進(jìn)段監(jiān)測(cè)斷面位移

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 受回采工作面采動(dòng)影響，在9109工作面采空區(qū)邊緣與待掘巷道區(qū)域內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一定的應(yīng)力升高區(qū)，應(yīng)力峰值點(diǎn)距9109工作面采空區(qū)邊緣的距離為16 m，峰值應(yīng)力為 18.2～31.1 MPa，是煤柱體內(nèi)原巖應(yīng)力的1.4～2.4倍。

圖8 S2-S3段巷道維護(hù)效果

2) 通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，可將整9110進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)作業(yè)分為兩個(gè)階段，其中S1-S2段迎頭巷道掘進(jìn)與回采作業(yè)同時(shí)進(jìn)行，當(dāng)兩者相距93 m時(shí)，掘進(jìn)頭停止作業(yè)。S2-S3段當(dāng)工作面推過(guò)迎采掘進(jìn)頭261 m后，停掘工作面繼續(xù)向前掘進(jìn)。

3) 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)可知S1-S2掘進(jìn)段巷道位移變化呈現(xiàn)出明顯的階段性，大體可分為掘進(jìn)影響階段、回采超前采動(dòng)影響階段、回采滯后影響階段、趨穩(wěn)收斂階段。