复采动压扰动下巷道交岔点围岩力学响应及控制分析

李 鹏

(山西能源学院，山西 晋中 030600)



复采动压扰动下巷道交岔点围岩力学响应及控制分析

李 鹏

(山西能源学院，山西 晋中 030600)

对旧采区进行复采时工作面会多次穿越空巷。过空巷时回采巷道与空巷会形成多个交岔点。交岔点附近回采巷道变形大、交岔点处顶板冒落、两帮破碎是复采回采巷道稳定性的主要问题。圣华煤业现场统计观测表明，在超前支承压力作用下交岔点附近巷道变形严重、空巷冒落次数增加，围岩破碎。建立了交岔点围岩应力分布的力学模型，分析了交岔点处围岩应力分布情况，结合现场实测和相似模拟等综合手段给出了交岔点处煤柱压碎区的范围。分析了交岔点处围岩变形与破坏规律，提出了交岔点跨度的计算方法。现场实测表明设计支护强度能够保证巷道支护安全。

复采；交岔点；应力分布；过空巷

优质煤炭资源进行复采能创造较好的经济效益。对旧式不规范刀柱式、巷柱式开采遗留资源进行复采时，由于旧采区煤体已经历过一次回采，煤体中可能存在多条空巷，空巷与回采巷道存在多个交岔点，交岔点维护较差时可能会使整条巷道处于较差维护状态[1]。统计表明：掘进头冒顶和巷道交岔点冒顶是两类最易发生的巷道顶板事故[2]。因此，保证巷道交岔点处于较好的维护状态是复采时回采巷道支护的关键[3]。

复采工作面回采巷道与旧采空巷交岔点支护困难，主要有以下几点原因：交岔点处巷道顶板悬露面积较大，顶板维护困难；空巷靠近采场一侧的煤体中存在较大的超前支承压力[4]，而这部分煤体随着回采成为煤柱、稳定性降低，导致回采巷道维护困难；旧采空巷长期旧置，经历风化，交岔点处围岩强度下降、裂隙发育、顶板破碎。此外，当回采面靠近交岔点时回采面端头附近顶板悬露面积增大、煤体以三角煤柱形式存在，煤柱容易失稳、顶板容易冒落，严重时可能引起整个工作面矿压显现产生较大的变化，发生基本顶超前断裂[3，5]。晋煤集团圣华煤业3101复采工作面回采巷道掘进揭露空巷15条，其中沿底板的空巷11条，沿顶板的空巷4条。回采巷道开挖后巷道顶板、两帮破碎，在空巷附近发生局部冒顶。

因此，应当对复采时回采巷道与空巷交岔点处围岩变形破坏规律进行研究，分析其内在的变形破坏机理，探究回采巷道围岩稳定性及控制技术，为现场实践提供理论上的依据和技术上的支撑。

1 工程概况

1.1 回采巷道概况及交岔形式

晋煤集团圣华煤业3101复采工作面回采3号煤，煤层厚度6.65m，煤层埋深220m。采用综放采煤法对巷柱式、刀柱式旧采区进行复采，采高2.2m，工作面长度84m，工作面推进长度480m。煤岩层物理力学参数见表1。

表1 煤岩物理力学参数

对揭露的空巷分析可知，旧采空巷宽度一般为2～3m，高度2.5m左右，原支护以木支护为主，有的巷道甚至不支护；部分顶板空巷顶板垮落；底板空巷上方只见垮落的顶煤，部分空巷可见直接顶未垮落。

空巷和回采巷道交岔形式大体可分为2种。一种是单条空巷与回采巷道相交，如图1(a)所示；一种是多条空巷与回采巷道相交，如图1(b)，1(c)所示。其中多条空巷与回采巷道相交又可分为2种：一种多条空巷与回采巷道相交于一点，如图1(b)所示；一种是多条空巷分别与空巷相交，空巷之间交岔点在工作面内部，如图1(c)所示。此外，工作面前方也可能存在多条空巷，其交岔形式基本可按上述3种形式进行分类。3101复采工作面主要以图1(a)形式为主。

1.2 交岔点破坏情况

现场统计观测表明，当工作面推进到空巷附近时，空巷在超前支承压力的影响下容易发生变形或冒顶。随着三角煤柱被回采，其尺寸变小，在支承压力的作用下，煤柱最终失稳。

图1 空巷与回采巷道相交形式

对工作面前方尺寸为4m×4m左右的几条空巷内煤柱片帮厚度大于0.2m、冒顶高度大于0.2m的次数进行了统计，如图2所示。

图2 煤柱两侧片帮、冒顶统计

可以看出，在与工作面距离较大时，空巷基本不发生大的片帮、冒顶；当工作面与空巷距离减小后，空巷侧煤体开始发生片帮、顶板开始发生冒顶，随着工作面接近空巷，空巷侧的片帮、冒顶次数逐渐增大。

由于空巷处于超前采动影响范围之内，加之空巷内冒落煤岩块、失效支护木材很难进行清理，且旧采空巷风化严重，难以进行有效地支护，所以现场一般不进行支护，仅在回采时由采场提前打钢钎过空巷。分析可知，空巷的变形、破坏要受到整个工作面覆岩运移的影响，其较大的悬顶面积及较大的应力集中加剧了空巷及交岔点处围岩的破坏。因此，复采过空巷工作面回采巷道的维护较一般采场回采巷道更加困难。当工作面前方存在多条空巷时，整条回采巷道都要考虑交岔点的维护，巷道维护困难。

此外，空巷尺寸较大时，煤柱失稳会导致端头附近回采空间尺寸大大增加，顶板悬露面积较大，容易造成端头冒落，支架控制回采空间顶板的难度大大增加。

如图1(b)中，当两条空巷与回采巷道交于一点时，交岔点处顶板悬露面积较一条空巷与回采巷道相交的情况有所增加，工作面前方煤柱形式也发生了变化，如果交岔点处巷道支护不合理不仅会影响回采巷道的维护，且随着煤柱应力集中的作用，有时可能会恶化回采工作面顶板的支承条件，进而引发回采工作面顶板的局部甚至大面积事故。

2 过空巷交岔点的应力分布和围岩破坏规律

2.1 交岔点处煤柱受力特征分析

弹性状态下，圆形巷道三角区内垂直应力σt的近似解应力集中系数K可用下式表示[6-7]：

(1)

(2)

式中，σ1，σ2分别为原岩的垂直与水平应力，MPa；α为两条巷道的交角，(°)；ρ，θ为某点应力的极坐标；γ1为交岔点巷道中心至塑性变形圈边界的距离(半径)，m；λ为侧压系数，λ=σ2/σ1。

根据式(2)，利用Mathematica软件可以得到图3所示应力集中系数等值线图。

图3 支承压力作用下应力等值线

可以看出，交岔点处煤体破坏主要是由于三角区域应力集中程度过高而造成。煤柱被压碎导致其对顶板的支撑作用下降，顶板悬露面积加大。

此外，由于三角区域受到采动超前支承压力作用时，其垂直应力σ1增大，煤柱中应力集中系数增大，三角区域破坏范围也会随之增大，交岔点处顶板悬露面积加大，交岔点破坏更加严重。据此可得考虑垂直应力受采动影响的三角区域应力表达式：

(3)

式中，n为支承压力集中系数，n=1.5～5，一般取2。分析式(3)可以看出，在超前支承压力作用下，三角区域内垂直应力大大增加，煤柱变形破坏范围也大大增加。

1301复采工作面推进过程中对其前方煤体中超前支承压力进行监测，结合工作面靠近煤柱时对煤柱破坏情况的现场观测和统计，得到如下结论：在工作面靠近煤柱时(50m左右)，交岔点附近压碎区3～5m，应力接近为零，认为不承担上覆载荷；应力降低区2～2.5m，属于塑性变形；应力升高区10～13m，属于弹性变形。

2.2 交岔点处围岩变形破坏规律

复采工作面过空巷在交岔点处围岩变形破坏主要有3个方面：一是交岔点处顶板破坏，二是交岔点处煤柱破坏，三是由于交岔点的存在引起工作面顶板破坏，造成支架支护困难[8-9]。

造成煤柱变形破坏主要有以下几个因素：一是煤柱自身的形态导致应力集中系数大；二是超前支承压力及采动影响；三是支护方式不合理。其中，煤柱变形破坏是导致巷道顶板和工作面顶板破坏严重的最根本原因。

由于煤柱呈三角形态，其锐角区域破坏范围较实体煤煤体更大。当煤柱尺寸较小时容易造成破坏区贯通，导致煤柱失稳。煤柱的破坏会引起工作面空顶距的变大，加之工作面维护空间本身较大，工作面顶板维护难度大大增加。顶板过早被破坏，煤柱的支承性能较差可能会导致端头支护、移架更加困难。

此外，地应力大小、围岩强度、交岔角度、巷道断面尺寸以及巷道交岔形式和巷道围岩支护方式均会影响交岔点处围岩的变形破坏。

2.3 交岔点处顶板破坏范围分析

顶板破坏“等效宽度”可按去除压碎区后顶板悬露宽度进行计算，如图4所示[6]。可按式(4)，(5)计算：

图4 等效跨度计算示意

(4)

(5)

图4中，θ为巷道交岔角度，(°)；a1和a2分别为两条巷道的宽度，m；c1和c2为交岔点影响范围外两条巷道巷帮的破坏深度，m；Δr和ΔR分别为钝角区和锐角区的最大破坏深度，m；Lmin和Lmax为最小和最大顶板跨度，m。

以停采线前方35m处宽度为a2=4m、与巷道夹角θ=82°空巷为例，代入式(4)，式(5)可得：

Lmin=6.25m，Lmax=14.07m

其中，巷道宽度a1=4m，Δr=0.5m，ΔR=2m。

2.4 交岔点对工作面顶板的影响

从图3可以看出，当工作面邻近交岔点时，煤体中应力集中较普通采场严重，煤柱三角区域破坏严重，极易造成空顶；加之端头处空顶面积本身较大，端头作业时间较长，端头支架移架困难，端头顶板控制困难。

此外，当空巷宽度较大、煤柱力学参数较小且工作面前方存在如图1(b)，1(c)的空巷时，三角煤柱破坏区容易贯通，造成失稳。失稳导致煤柱对顶板支撑性能大大降低，顶板可能发生区域性周期来压，或由于煤柱失稳而导致顶板在超前工作面较远处破断，造成工作面来压强度增加，甚至导致压架。

3 过斜交空巷复采面相似模拟

以晋煤集团圣华煤业3号煤残煤复采为原型，应用相似材料模拟试验手段，对复采工作面过空巷围岩变形破坏情况进行研究。

根据相似原理[10-11]，将所研究的区域按照相似理论进行设计，按相似比例制作模型，其中，几何相似比为1∶30，容重相似比1∶1.76，应力相似比1∶52.8。按照实际生产情况模拟开采，近而得出过斜交空巷时煤柱及空巷破坏变形情况。

从图5(b)可以看出，当工作面回采靠近与工作面呈30°角的空巷时，在工作面距离空巷较远时三角煤柱便发生塑性破坏：开挖时发现煤柱松软，极易发生大块度的掉落、节理裂隙发育较多，三角煤柱附近空巷顶板弯曲下沉严重，空巷左侧煤体片帮严重。对模型中煤柱三角区域压碎区域进行测量，并折算到现场尺寸，结果表明：压碎区为5m左右，能够和现场实测较好地吻合。

如图5(c)所示，继续回采，三角煤柱失稳。可以看出煤柱失稳后工作面前方大范围的空顶，端头附近空巷顶板冒落严重、空巷左侧片帮深度大，片帮严重。空巷的冒落会导致端头附近支架无法接顶，支架移架困难。此外，端头作为采煤机进刀、转运作业场所，如果发生上述破坏，会大大降低工作面的安全性。

图5 相似模拟试验情况

4 复采回采巷道支护技术

从前述研究可以看出，空巷与回采巷道交岔点处三角煤柱的稳定性会引起巷道顶板变形过大，甚至发生顶板事故。空巷与回采巷道交岔点附近5～7.5m为煤体压碎区、塑性区，据此对交岔点处巷道加强支护，提高煤柱强度，进而减小端头附近顶板悬露面积。支护方案如下：

(1)采用架棚的方式进行支护，平常段棚距800mm，钢棚选用φ16mm-3-80mm-2400mm的钢筋梯梁，架棚前铺设金属网。

(2)巷道顶板及两帮平整的区域加设φ22mm-M24mm-2400mm的锚杆、φ17.8mm-6300mm的锚索。

(3)由于巷道部分区域围岩破碎，难以采取锚杆支护技术。因此，在巷道片帮、冒顶的区域棚距500mm，在金属网上方、外侧加木板接顶、背帮。

(4)在靠近交岔点附近8m左右，棚距300mm，在金属网上方、外侧加木板接顶、背帮，巷道中心加设300mm排距的工字钢支护，如图6所示。

图6 交岔点附近巷道支护

圣华煤业3101复采工作面回采巷道采用了架棚、金属网、接顶背帮加强支护，取得了较好的效果。在巷道使用过程中巷道最大变形80mm。交岔点处煤柱及顶板破坏得到较好控制，没有出现顶板冒落事故。巷道得到有效控制。

5 结 论

(1)现场统计观测及力学分析表明，复采工作面靠近空巷时，受超前支承压力、交岔点煤柱形态、应力集中影响，空巷变形加大、冒顶增大、煤壁片帮、压碎甚至失稳。

(2)通过力学计算、现场实测和相似模拟，对支承应力影响下圆形巷道三角区内垂直应力σt及应力集中系数K进行了改进，得到了工作面前方支承压力作用下三角区内应力等值线图，并据此确定了交岔点区域加强支护的范围。

(3)采用架棚+金属网+接顶木剁(两帮为背帮板)的支护方式对交岔点巷道加强支护。现场实践表明，支护效果良好。

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[责任编辑：姜鹏飞]

Surrounding Rock Mechanical Response and Control of Roadway Intersection under Repeated Mining Dynamic Pressure

LI Peng

(Shanxi Institute of Energy,Jinzhong 030600，China)

The working face would crossed abandoned roadway many times during repeated mining of old mining area，then many intersections between mining roadway and abandoned roadway would be formed during passed abandoned roadway.The main problems of repeated mining roadway stability around intersection were large deformation，roof collapse in intersection，two sides broken.The filed statistics of Shenghua coal mine confirmed the following characters would appeared in roadway around intersection under abutment pressure，which included deformation largely,roof collapse in abandoned roadway increased and surrounding rock broken，then the mechanical model of surrounding rock stress distribution on intersection was built，and stress distribution was analyzed，the coal pillar broken scope around intersection was put forward under filed test and similarly simulation，and surrounding deformation and broken law of intersection were analyzed ,then the calculation method of intersection span was put forward，the filed test confirmed that the supporting strength could ensured roadway supporting safety.

repeated mining；intersection；stress distribution；passed abandoned roadway

2016-04-28

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.06.014

国家科技支撑计划项目(2012BAB13B04)；山西省自然科学基金(2015011083)

李 鹏(1984-)，男，山西大同人，讲师，主要从事矿山压力与岩层控制、岩石力学、复采方面的研究。

李 鹏.复采动压扰动下巷道交岔点围岩力学响应及控制分析[J].煤矿开采，2016，21(6)：49-53.

TD323

A

1006-6225(2016)06-0049-05

巷口支护理论与技术