采掘交锋巷道应力分布特征及控制技术研究

2019-03-01

煤炭工程 2019年2期

(大同煤矿集团有限责任公司，山西大同 037003)

采掘交锋引起的动压叠加会严重影响回采工作面及掘进巷道的围岩稳定性。通过实施跳采可从源头上避免采掘交锋，但部分矿井因盘区大巷开拓不到位或是采掘部署不当造成矿井衔接紧张，难免会存在回采工作面与相邻巷道出现采掘交锋的情况。因此，如何确保采掘交锋条件下掘进巷道与回采工作面围岩整体稳定是安全高效生产的关键。

近年来许多煤炭行业的专家学者针对采掘交锋动压巷道围岩稳定性控制做了大量的研究工作。杜贝举通过对动压回采巷道变形破坏规律进行系统分析，提出了“高强树脂锚杆+锚索”联合支护的围岩控制方案，同时融入“挟顶底，控两帮”的支护理念[1]；刘立民等结合现场地质条件，运用理论分析和数值模拟的方法进行研究，提出平衡支护设计法能够对采掘相向情况下围岩结构及应力非对称的巷道进行合理的支护控制[2]；秦忠诚等结合现场地质条件，将动压影响巷道分为3段，并对其进行动态分段围岩控制等等[3]。但这些研究均未能给出采掘交锋巷道停掘避压具体实施措施以及停掘避压的合理时机[3，4]。本文主要是针对采掘交锋巷道围岩稳定的机理进行详细分析，同时结合机理分析结果提出巷道有效控制技术，确保了采掘交锋巷道及回采工作面围岩的整体稳定，为其他类似条件下巷道围岩稳定性的科学控制提供依据。

1 工作面概况

同煤集团燕子山矿8214工作面煤厚7.5～8.4m，埋深约400m，倾向切眼长度150m，走向长度2510m。工作面配备MG-400/930-WD采煤机，支架型号为ZF12000/23/35。其中，8214工作面回风巷断面宽×高=4.0m×3.3m，采用“锚杆+锚索+金属”联合支护，七排锚杆支护间排距为900mm×1000mm；两排锚索支护间排距为3000mm×2000mm。两帮采用锚杆与金属网混合支护。8214工作面日进6刀，约4.2m。8212工作面回风巷与8214工作面相邻，机掘巷道日进8m，断面宽×高=5.0m×3.3m，支护形式与8214工作面回风巷相同。

2 采掘交锋巷道应力分布特征

8214工作面回采与相邻8212面回风巷掘进采掘交锋过程如图1所示。本文将整个8212面回风巷的掘进分为三个阶段，即Ⅰ—实体煤掘巷阶段；Ⅱ—动压掘巷阶段(Ⅱ1—超前动压掘巷阶段；Ⅱ2—滞后动压掘巷阶段)；Ⅲ—沿稳定采空区掘巷阶段。图1中，q(x)为超前支承压力曲线；q(y)为侧向支承压力曲线。

图1 采掘交锋条件下巷道围岩稳定机理示意图

1)Ⅰ阶段—实体煤掘巷阶段。该阶段下巷道整体支承压力分布与普通巷道一致，掘进过程中需确保施工质量，做好日常维护即可。

2)Ⅱ阶段—动压掘巷阶段。该阶段主要以回采工作面为界，回采工作面超前位置属超前动压掘巷阶段、回采工作面采空区位置属滞后动压掘巷阶段。①Ⅱ1—超前动压掘巷阶段：这个阶段主要是回采工作面超前支承压力与巷道掘进超前支承压力叠加的阶段，该阶段塑性破坏区可参考“煤柱一侧采空条件下塑性区宽度的计算公式”进行计算，但考虑到现场不同工作面其顶底板岩性、埋深、煤的力学特性以及煤厚等参数也不尽相同，理论计算误差较大。因此，为了更准确地掌握塑性区的相关数据，现场实际生产过程中，可通过在工作面埋设应力传感器收集应力监测数据分析其塑性区范围。燕子山矿通过埋设应力传感器并结合相邻工作面应力监测情况可知：8214工作面回采与8212面回风巷掘进超前动压影响叠加阶段约为超前8214工作面30m范围。②Ⅱ2—滞后动压掘巷阶段：这个阶段主要是回采工作面采空区悬板、侧向支承压力与巷道掘进超前支承压力叠加的阶段，为了确保数据的准确性，该阶段现场仍需通过现场应力传感器收集的应力监测数据分析其塑性范围。以燕子山矿为例，分析现场实测数据及通过相邻工作面应力分布规律确定该滞后动压阶段发生在8214工作面后方25m范围，其围岩塑性破坏区主要是沿巷道横向范围逐渐增大。

3)Ⅲ—沿稳定采空区掘巷阶段。随着综采工作面的不断回采，采空区范围的侧向支承压力逐渐达到稳定状态，巷道掘进至该区域进入沿稳定采空区掘巷阶段，这个阶段主要是回采工作面采空区侧向支承压力与巷道掘进超前支承压力叠加的阶段。采空区侧向应力分布也可通过布置在煤柱中的应力传感器测得。燕子山矿结合现场实测的应力分布曲线以及数值模拟结果分析可知，8214工作面在采空区横向0～5m范围为应力降低区；5～22m范围形成附加塑性破坏区。

3 采掘交锋巷道围岩控制技术

采掘交锋条件下，临空掘进巷道围岩控制需抓住三个关键点：合理留设煤柱宽度、精准确定停掘位置、分区域动态支护。

3.1 合理留设煤柱宽度

结合第Ⅲ阶段分析的横向塑性破坏区范围可知，回采工作面侧向支承压力引起的附加塑性破坏区域为距工作面横向5～22m范围，因此，临空巷道掘进时其留设的面间护巷煤柱宽度应避开5～22m这个范围，要么留设小于5m的煤柱、要么留设大于22m煤柱。

考虑到水、火、瓦斯等隐蔽致灾因素的影响，再加上采掘交锋动压叠加对护巷煤柱的承载能力要求较高，笔者不建议采掘交锋条件下实施小煤柱工艺[5]，现场8214工作面与8212工作面留设面间煤柱30m。但在采掘交锋过程中掘进巷道顶板仍破碎严重，从而造成巷道维护工程量较大。

3.2 精准确定停掘位置

采掘交锋条件下的掘进巷道若停掘时间过早会影响工作面的整体圈出进度，但若停掘时间过晚又会对巷道稳定性产生影响，因此精准确定停掘位置、复掘位置便尤为重要。停掘、复掘位置确定具体如下：

1)与回采工作面相交前，在第Ⅱ阶段的顶板移动性三角形塑性破坏区出现以前停掘，即在工作面前方30×1.5=45m(考虑到超前支承压力可能会受到回采速度、工作面工程质量及现场支架工况等因素影响，取安全系数为1.5)时停止掘巷。

2)与回采工作面相交后，在第Ⅱ阶段的顶板移动性三角形塑性破坏区稳定后方可开掘，即在工作面后方25×1.5=37.5m(考虑到侧向支承压力可能会受到采空区顶板垮落情况、矸石充填以及面间煤柱的破坏等因素影响，取安全系数为1.5)时重新开始掘巷。

3.3 分段动态控制技术

1)强支巷道、补强回采工作面超前支护：在第Ⅱ阶段中，对巷道顶板采用增加顶板垂直向上的支护阻力来减小超前支承压力，现场可采用增支单体柱、打木垛、架棚、加密锚杆锚索支护等措施[6]。

8214工作面与8212面回风巷巷采掘交锋过程中的补强支护措施为：8214综放工作面超前单体支护长度由30m加长至60m，且将“一梁三柱”更换为“一梁四柱”，同时在超前靠近8212工作面侧以间距3m安设木垛；8214综放工作面进入动压掘巷影响位置超前80m范围以2m间距补打锚索梁(锚索长度8m)；8212面回风巷停掘位置迎头40m范围顶板以2m间距补打锚索梁，增加1排护帮锚杆。

2)注浆加固围岩：在进入第Ⅱ阶段前，对巷道、回采工作面围岩破碎区域注粘结材料进行加固，主要目的是改善围岩的内聚力，增加围岩的自承载能力，从而减小围岩下沉和移动性塑性破坏区在巷道横向和纵向的动态发展[7-9]。

本次8214工作面与8212面回风巷采掘交锋过程中，在8214工作面超前围岩破碎区域加注马丽散，确保巷道围岩的整体稳定。

4 工程应用效果分析

针对同煤集团燕子山矿8212工作面两巷与8214工作面地质条件，准确把握好停掘、复掘时机，在采掘交锋影响期间采取相应的强支措施，现场取得了良好的成果。8212面回风巷、8214回采工作面经过采掘交锋并采取相应措施后的整体效果如图2所示，相较于邻近区域留设30m煤柱时采掘交锋巷道，8212面回风巷及8214工作面两巷围岩整体稳定性较好。