高应力综采工作面回采动压对巷道稳定性动态特征研究

赵慧波

(潞安环能股份公司 王庄煤矿，山西 长治 046031)

在高应力条件下，巷道变形会更激烈，围岩支护更加困难。许多学者对高应力条件下巷道围岩稳定性进行了大量的研究[1-3]，王卫军等[4]研究了支护阻力对高应力巷道围岩变形的影响，解释了其难以控制的力学本质；张广超等[5]针对高强度综放开采，建立了其工作面侧向基本顶破断结构模型，并利用FLAC3D进行了围岩应力与位移演化特征模拟分析；李学华等[6]通过典型案列总结了窄煤柱变形破坏的关键因素；赵宾等[7]针对高应力综放面巷道围岩变形破坏严重的问题，研究了煤柱合理尺寸确定方法和巷道围岩控制技术。本文采用数值模拟和现场监测相结合的方法，对王庄煤矿91高应力采区首采工作面回采过程中围岩稳定性动态特征进行研究，为预测91采区其他工作面回采矿压显现提供依据。

1 工作面概况

王庄煤矿91采区煤质破碎，呈现典型的高应力特征。91-205工作面和91-203工作面是两个相邻工作面，两个工作面之间的位置关系如图1所示。91-205工作面作为91高应力采区首采工作面，研究其回采对本工作面回采巷道和相邻工作面回采巷道围岩稳定性动态特征，对于预测91采区其他工作面回采矿压显现具有重要的意义。

图1 工作面平面位置关系(m)

2 围岩稳定性动态演化特征的数值模拟研究

2.1 数值模型的建立

采用FLAC3D数值模拟软件，模拟91-205工作面回采对91-205风巷和相邻91-203运巷道影响，数值计算模型如图2所示。模型尺寸为长×宽×高=230 m×80 m×88 m。模型计算遵循摩尔-库伦屈服准则，变形模式为大变形，上覆施加载荷。

图2 数值计算模型

2.2 数值模拟结果分析

2.2.1 巷道位移量动态变化特征

91-205风巷和91-203运巷测点布置如图1所示。91-205工作面回采期间每天记录一次巷道测点顶底和两帮移近量，从而研究随工作面回采巷道位移量动态变化特征。91-205风巷和91-203运巷测点顶底和两帮移近量随工作面回采动态变化趋势如图3、图4所示。由图3、图4可知：

图3 91-205风巷测点位移量随工作面回采动态变化趋势

图4 91-203运巷测点位移量随工作面回采动态变化趋势

1) 91-205风巷测点距工作面距离从50 m减小到30 m时，两帮移近量从56 mm增加到60 mm，增加了4 mm，顶底板移近量从78 mm增加到86 mm，增加了8 mm。在这个过程中，巷道变形量受采动的影响较小。随着91-205工作面回采的进行，测点距工作面距离从30 m减小到0 m时，两帮移近量从60 mm增加到98 mm，增加了38 mm，顶底板移近量从86 mm增加到117 mm，增加了31 mm。此阶段巷道变形明显大于前一阶段，两帮和顶底板移近量迅速增加，表明巷道围岩变形受回采的影响较大。因此，实际回采时，在超前工作面0～30 m范围内可视为重点监测区域，对于可能发生的巷道围岩变形加剧的情况及时进行单体柱补强支护。

2) 91-203运巷测点从超前工作面30m到滞后工作面30m时，两帮移近量从57 mm增加到99 mm，增加了42 mm，顶底板移近量从79 mm增加到111 mm，增加了32 mm，此阶段两帮移近量和顶底板移近量始终增加。测点滞后工作面距离从30m增加到40m时，两帮移近量和顶底板移近量几乎不发生变化。因此，在实际回采时，要紧密监测相邻工作面巷道变形，尤其是工作面前后30 m范围。

2.2.2 巷道应力动态特征分析

91-205工作面回采时，顶板的垂直应力分布如图5所示。由图5可知：

图5 回采时顶板垂直应力的动态分布

1) 超前支承压力集中系数的大小为1.4～2.1。随工作面回采，超前支承压力集中系数最大值逐渐增大。超前支承压力的影响范围为30 m，大于30 m基本处于原岩应力状态。

2) 随工作面回采，采空区垮落的矸石逐渐被压实，应力逐渐增加。同时，相邻巷道护巷的煤柱压力逐渐增加。

3 91-205风巷现场矿压监测

为研究91采区巷道围岩在回采期间矿压显现规律，选取91-205风巷对围岩表面位移、锚杆载荷、单体柱压力等进行观测。

3.1 表面位移监测

在91-205风巷中，超前工作面30 m，每隔10 m设置一个表面位移测站，共设置3个测站(如图1所示)。

在工作面回采过程中，三个测站的巷道顶底板、两帮移近量和工作面距离关系如图6所示。

图6 回采巷道围岩变形变化曲线

由图6可知：随着工作面回采，风巷测站离工作面越来越近，巷道围岩的累积变形量及围岩变形速度也越来越大。1号测站两帮观测期间累积移近量为248 mm，顶底累积移近量为349 mm；2号测站两帮观测期间累积移近量为252 mm，顶底累积移近量为414 mm；3号测站两帮观测期间累积移近量为308 mm，顶底累积移近量为414 mm。在30～50 m范围内，巷道变形缓慢；在0～30 m范围，巷道围岩变形剧烈。

3.2 锚杆无损检测

在工作面前方35 m范围内，使用CMW3.7矿用本安型锚杆无损检测仪，检测工作面回采期间锚杆载荷。

回采期间锚杆轴力检测结果见表1，轴力分布如图7所示。从图7可以看出，3.33%的锚杆受力为2～4 t，33.33%的锚杆受力为4～6 t，46.67%的锚杆受力为6～10 t，16.67%的锚杆受力大于10 t，在回采过程中巷道锚杆受力较大。16.67%的锚杆受力大于10 t，这些锚杆主要集中在工作面超前压力峰值区内。在回采期的巷道中锚杆的受力普遍比较大，受力分布区间在6～10 t之间。

图7 回采期锚杆受力分布

表1 回采期锚杆轴力检测结果

4 结 语

1) 通过数值模拟可知，在实际回采时，在超前工作面0～30 m范围内为动压影响区，可视为重点监测区域，对于此段巷道围岩变形加剧的情况及时进行单体柱补强支护。

2) 通过对相邻工作面巷道91-203运巷观测可知受回采动压影响巷道91-203运巷局部有变形，尤其是91-205工作面回采点前后30 m范围是相邻巷道变形剧烈区域。

3) 通过现场观测发现，随着工作面回采，风巷测站离工作面越来越近，巷道围岩的累积变形量及围岩变形速度也越来越大。