综放缓倾工作面下部巷道大变形原因分析及控制技术

张小荣

综放缓倾工作面下部巷道大变形原因分析及控制技术

张小荣

针对麻家梁煤业公司14505综放工作面胶带顺槽大变形导致端头支架行走困难以及顶底板破碎的现状，分别从地质、倾斜工作面布置等方面进行分析以及FLAC3D5.0进行模拟研究，制定了加强端头超前支护管理、补强顶底板支护等治理手段使14505工作面胶带顺槽变形量得到控制并提高了巷道围岩的稳定性。此项综合支护控制技术为麻家梁类似条件的工作面提供了重要的参考价值。

缓斜工作面；FLAC3D5.0；大变形；地锚

0 引言

煤矿倾斜工作面的顺槽巷道围岩大变形严重制约着采煤工作的安全生产和经济效益[1]。巷道大变形主要表现为顶板呈现下沉、巷道产生底鼓、巷道围岩维护困难，退锚等失效支护增多[2]。巷道大变形直接影响采煤工作的运输、行人、通风，是制约矿井安全高效生产的主要原因。因此，探讨倾斜工作面顺槽巷道失稳原因对于保证采煤工作的正常运行有着重要的意义。刘会彬认为埋深较大、软岩底板、综采采动影响均为巷道失稳因素，巷道变形破坏严重区域往往位于褶曲向斜轴部或褶曲两侧[3]。王宁波等认为巷道顶板断裂位置一般是发生在最大弯矩发生的位置，倾斜煤层中等稳定顶板沿倾斜的断裂失稳是一个时间和空间的过程[4]。曾佑富针对倾斜工作面大断面巷道失稳采取了锚杆锚索多介质结构藕合控制技术获得了良好的效果[5]。本文在前人研究的基础上，针对同煤集团宁武煤田麻家梁煤矿五采区倾斜煤层综采工作面底鼓的实际情况，分析影响该类巷道变形的主要因素，探析巷道变形力学机理并提出相应的巷道大变形控制综合治理方案。

1 巷道基本情况

麻家梁14505综放工作面位于五采区东翼，开采山西组4#煤层，是麻家梁五采区的首采工作面，地面高程1 259～1 269.7 m，工作面高程529～615 m，工作面走向长度1 642 m，可采1 344 m，倾斜长度为250 m，煤层平均厚度8.5 m，采用综合机械化放顶煤开采，设计机采高度3.5 m。工作面综合柱状图如图1所示。工作面总体东西高中间低为一小向斜t构造，局部有小褶皱。工作面倾向坡度较大，头低尾高，初采时最大坡度达17°，高差达55 m，随着工作面的向前推进，坡度逐渐变缓，整体平均坡度为6°，高差平均32 m，14505胶带顺槽沿煤层顶板掘进。

图1 14505工作面综合柱状图

2 巷道变形特征

根据现场勘测，由于高应力和采动影响导致围岩情况的恶化，致使14505胶带顺槽的顶板下沉和底鼓明显，两帮相对顶底变形量较小。14505工作面端头支架顶板破碎严重，承受压力大，支架中、后部立柱活柱行程量小，超前支护范围内大面积底鼓现象严重，端头最大累积底鼓量达1.5 m，顶板离层下沉如图2，最大下沉量达1.2 m如图3。

图2 胶带顺槽巷道顶板情况

图3 胶带顺槽巷道底板情况

围岩变形量大，巷道变形持续时间长，蠕变效应在围岩变形中显现较明显，影响范围广[6]。如图4在工作面距80 m处连续标记3个测点，记录顶底板移近量。随着工作面的推进，测点不断接近工作面煤壁直至测点到达煤壁处并记录其顶底板位移量，根据记录数据表明，距工作面煤壁45 m处受采动影响位移值突然升高，距工作面煤壁10 m内顶底板位移量最大达到2 712 mm，顶底板移近量0～10 m内位移量持续偏高。

图4 工作面顶底板位移量与工作面煤壁间距离的关系

3 巷道大变形原因分析

3.1 地质因素的影响

14505工作面开采山4#煤层。为减小两顺槽之间的高差，14505胶带顺槽沿顶煤掘进，因此巷道顶板为较软弱的炭质泥岩和硬脆性的粉砂岩，底板为4 m厚的底煤。由于顶板和底板都是属于软弱岩层，当围岩压力增大时，顶板和底板首先受到破坏，致使顶板下沉明显且底板产生底鼓。

褶曲通常被看做是原来近于平直的岩层面变成了褶曲的岩层面而表现出来的一种形式[7]。褶曲的变形面主要包括以下几种：绝大多数的层理面，变质岩的劈理、片理，岩浆岩的原生流面等。褶曲的不同部位，受力和危险性也不尽相同，褶曲向斜部分，其应力垂直方向的为压力，水平方向的为拉力，向斜部分最容易产生冒顶事故和冲击地压现象，而主应力主要集中在褶曲向斜内弧的波谷和波峰位置，14505工作面胶带顺槽处于多个褶曲的波峰位置，因此巷道受到褶曲引起的主应力破坏，这个因素也导致巷道围岩抵抗大变形能力大大削弱。

3.2 自重应力场的影响

地表以下的各点应力随深度的增加而线性地增加。在重力作用下，煤层顶部各层岩体承压实状态，岩体内垂直应力的大小约等于上覆岩层的重量。通过综合柱状图可得知自表土层到工作面底板岩体密度，从而可以估算出不同埋深处所处的垂直应力数值。

图5 巷道埋深及巷道垂直应力关系图

从图5可以看出，埋深越大巷道围岩垂直应力增加越大，整体呈线性分布。上覆岩层中表土层为亚粘土厚度达57 m，57 m～316 m主要由中砂岩、石英岩组成，316 m～548 m主要由泥岩、细砂岩组成，548 m～627 m主要由粉砂岩、高岭质泥岩组成，工作面所处埋深627 m处垂直应力值16.85 MPa，垂直应力远大于巷道围岩的抗拉强度和抗剪强度，因此巷道围岩自重应力场是巷道失稳的一个重要影响因素。

3.3 倾斜布置工作面影响

倾斜工作面沿倾向布置，倾向角度为α，工作面顶板主要受上覆岩层作用而产生大变形。14505胶带顺槽处于倾斜工作面的下部，而煤层走向也存在角度β，形成了胶带顺槽端头处于整个工作面最低端的状况。将工作面基本顶看做薄板可以做如图10所示受力分析，工作面顶板倾向长度为a，工作面古塘和煤壁之间的距离长度为b，图中上覆岩层作用力为q，呈梯形分布，H为工作面上端头煤层埋深，γ为岩层平均体积力，工作面端头作用力q=γH，由于胶带顺槽所处位置H为整个板中最大处，得出结论q在胶带顺槽和工作面煤壁交接处数值最大，因此工作面处于最低端部分受上覆岩层所造成的垂直应力最大。q可分解成垂直于基本顶的q1和平行于基本顶的q2，q1=q（cosβ+ cosα），q2=q（sinα+sinβ）。由公式可知，当角度α、β为定值时，垂直应力q1和水平应力q2均随q值成线性正比。垂直应力q1对基本顶造成弯曲和剪切破坏，而水平应力q2造成对基本顶的挤压，平行于顶板的压力造成基本顶变形和塑性区的增大，以上的综合影响最终导致基本顶的破坏。

图6 工作面基本顶受力分析

4 数值模拟分析

4.1 模型建立

利用FLAC3D建立数值模型用来辅助理论研究胶带顺槽巷道大变形原因，模型长宽高尺寸分别为280 m×50 m×200 m，工作面倾斜长度250 m，模拟煤层厚度8 m，模型上覆岩层的重力按均布载荷施加在模型的上部边界，限制模型其余5个面。整个模型共划分230 000个单元，网格大小用attch face命令拟合。

4.1.1 巷道断面及支护形式的影响

14505工作面胶带顺槽，巷道断面：4 500 mm× 3 600 mm,巷道采用锚网支护，巷道断面顶板选用Ф 20 mm×2 500 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，使用矩形布置锚杆，间排距900 mm×900 mm；两帮选用Φ18 mm× 2 500 mm螺纹钢锚杆，同样采用矩形布置，锚杆间排距1 000 mm×1 000 mm，锚杆锚固力均不小于80 kN，顶帮均配合钢筋网。利用FLAC3D对14505工作面胶带顺槽原支护设计进行数值模拟。图6、图7均为掘进时期的位移云图和应力云图，通过对胶带顺槽端头部分的位移云图和Zz方向的应力云图可以看出在两帮锚杆约束作用下，两帮形成垂直集中应力，大小为16.8 MPa(如图7所示)，并向底板软弱岩层传递，导致底板所受挤压应力增大，因此底板极易产生塑性变形，顶底板从而均有较大变形，底鼓量为34 cm，(如图6所示)，因此可以得出14505胶带顺槽在初期支护上已经比较软弱，即大断面巷道初期支护强度不足。

图7 胶带顺槽位移云图

图8 胶带顺槽应力云图

4.1.2 推进速度的影响

模拟用计算的步数反映工作面的推进速度，通过应用FLAC3D-hist命令来记录顶板单元格的应力值，通过绘制曲线如图8所示，反应工作面的不同推进速度情况下采场应力分布规律。

图9 监测点应力与工作面煤壁关系图

从图8中可以得出，工作面的推进速度越快时应力峰值较低，但影响距煤壁更近，相反推进速度越慢时应力峰值较高，但峰值所处位置距煤壁较远。由图8可知加快推进速度以及加强端头支护有利于控制围岩应力。

4.1.3 沿顶煤掘进的影响

由于巷道的开挖以及工作面的开采活动，破坏了原始应力场的分布，使得巷道边缘区域的支承应力急剧增加，此区域煤体在集中应力作用下，将巷道两侧煤体由弹性状态转化为塑性状态，积聚大量弹性能。巷道底板留有部分煤体，强度较低，巷道两侧的高集中应力和能量通过煤体向底板传递，很容易达到底板所能承受的极限应力，加上采动的影响，使得底板结构受到破坏，底煤积聚的能量由巷道释放出来，表现为巷道大规模位移产生底鼓。

图10 沿顶掘进巷道工作面推进100m位移云图

图11 沿底掘进巷道工作面推进100m位移云图

FLAC3D模拟工作面推进100 m后的沿顶掘进的胶带顺槽位移云图9和沿底掘进的胶带顺槽位移云图10对比情况可知，14505沿顶掘进和沿底掘进均在顶底板位移较大，而14505沿顶胶带顺槽底板最大位移达到54 cm，而沿底掘进顺槽底板最大位移量仅为23 cm，可知由于胶带顺槽留底煤掘进，对巷道围岩应力产生了巨大的影响，显然沿顶掘进的巷道维护更加困难。

5 支护效果

通过观测结果分析可以确定大变形主要在距离工作面煤壁50 m的范围内，辅助超前支护、补打底板锚索等巷道围岩控制技术，使工作面超前50 m范围内的的顶底板移近量达到1.5 m以内的可控范围，通过少量起底，可以有效的保证综采放顶煤工作面的安全高效生产。

图12 胶带顺槽顶底板移近量观测图

6 结论

通过理论与数值研究，可得如下结论：

①麻家梁14505工作面胶带顺槽巷大变形主要因素包括：复杂的地质因素、巷道断面大且支护强度低、倾斜工作面高差、推进速度低以及沿顶煤掘进等因素。

②通过理论分析和数值模拟找到巷道破坏点主要在胶带顺槽的顶底板比较明显，两帮变形量较小，从而可以针对性的找到支护方法和处置措施。

③通过加强超前支护、补强顶板两帮支护以及补加，并通过加快推进速度减少采动压力对胶带顺槽的影响。

④缩小工作面长度、减小两顺槽间高差并在掘进时期加强支护是重要的经验，为五采区其他工作面地质情况的工作面提供设计依据和顺槽的支护依据。

[1]邓月华.《普通混凝土巷旁充填沿空留巷理论及应用研究》[D].重庆大学.2011.

[2]杜强.《柿花田煤矿"三软"不稳定煤层回采巷道支护技术研究》[D].西安科技大学.2013.

[3]刘会彬.《彬长矿区软底巷道变形特征及影响因素分析》[J].煤田地质与勘探.2013.

[4]王宁波.《急倾斜特厚煤层综放工作面采场运移与巷道围岩破裂特征》[J].煤炭学报.2013.

[5]曾佑富.《复杂条件下大断面巷道顶板冒落失稳分析》[J].采矿与安全工程学报.2009.

[6]刘佩.《地面钻孔抽采条件下采空区瓦斯运移及分布规律研究》[J].矿业工程.2009.

[7]姜福兴.《采矿覆岩空间结构观点及应用研究》[J].采矿与安全工程学报.2006.

[8]陶振贵.《综采面采用新型聚合加固剂过顶板破碎区的实践》[J].技术与市场.2014.

Large deformation cause analysis and control technology of lower roadway in slowly inclined fully mechanized working face

ZHANG Xiao-rong

For the present situation of end support trouble moving and the broken top and bottom floor caused by tape crossheading large deformation in the 14505 working face of Majialiang coal company,the paper has carried on the analysis from the geology and inclined working face layout and the simulation study by using FLAC3D5.0,the gover⁃nance means of reinforcing the end advance support management and reinforcing the top and bottom floor support are for⁃mulated,it controls the tape crossheading deformation of the 14505 working face and improves the stability of the road⁃way surrounding rock,the comprehensive supporting control technology provides an important reference value for the sim⁃ilar condition of the working face in Majialiang Mine.

Slowly inclined working face；FLAC3D5.0；Large deformation;Ground anchor

TD353

B

1000-4866(2016)06-0013-04

10.19413/j.cnki.14-1117.2016.06.004

2016-11-9

张小荣，男，1983年11月生，山西兴县人，硕士研究生，工程师，主要从事矿山压力与巷道支护等研究。