迎采巷道围岩稳定分段控制技术研究

2022-02-17郑俊杰

煤 2022年2期

郑俊杰

(山西新元煤炭有限责任公司，山西晋中 045400)

巷道围岩应力分布状态是决定巷道变形的重要因素之一[1-7]，对于迎采动压巷道，因为在掘进期间会受到回采工作面支撑压力的强扰动影响，所以受力状态更为复杂。根据回采工作面与迎采掘进巷道的空间相对位置，可以将整个迎采动压巷道的受力状态分为实体煤巷掘进期、迎回采面掘进强扰动期、沿空掘巷期、本工作面回采时期四个阶段。

1 迎采巷道沿空掘巷煤柱应力分布

9110回风巷为沿9号煤顶板掘进的煤巷，设计全长1 882 m，煤层平均厚度3.5 m，平均埋深536 m。直接顶为砂质泥岩平均厚度8.4 m，老顶为粉砂岩平均厚度10.1 m。该巷道设计断面尺寸为5.2 m×3.5 m，采用W钢带+金属网+锚杆+锚索联合支护。

本文以新元公司9110掘进工作面的地质资料为背景，运用FLAC3D数值模拟软件对工作面回采期间，迎采巷道在走向和倾向的应力分布规律进行系统研究。因篇幅限制文章只列出模型分阶段开挖后各测点平衡后的计算结果。

为研究9109工作面回采期间对邻近巷道的影响，在9109工作面采空区边缘与待掘巷道区域内以2 m为间隔布设一组测线，图中正值表示该测线位于回采工作面的前方，负值表示该测线位于回采工作面的后方。由图1可知，受工作面采动影响，在该区域内皆出现了一定的应力集中现象，应力峰值点距9109工作面采空区边缘的距离为16 m，峰值范围为 18.2～31.1 MPa，是煤柱体内原岩应力的1.4～2.4倍，结合应力峰值点的大小以及与回采工作面的相对位置关系可以发现，工作面推过测线后煤柱峰值应力要普遍大于推过测点以前。煤柱体内应力分布呈现出明显的分段特性，由9109工作面采空区边缘至16 m处，应力呈现出急速递增的趋势，从峰值点至约36 m的位置，应力值逐渐递减，40 m后煤柱应力值逐渐趋稳收敛至原岩应力状态。

图1 迎采巷道沿空掘巷煤柱垂直应力分布曲线

2 迎采时机的确定

本文在巷道顶板岩层布置一固定测点，以记录回采工作面与迎采巷道在不同空间位置情形下巷道围岩的受力特征。由图2可知,当工作面推进到距离测点61.7 m时，迎采巷道开始受超前支承压力的影响，待开挖煤岩体垂直应力呈速递增趋势。在工作面推过该测点18.8 m后，垂直应力已经递增至33.5 MPa，应力集中系数达3.17。工作面推过测点后峰值应力仍急速递增，原因是工作面回采过后，采空区顶板悬顶未及时垮落，在-62.7～174 m范围内应力分布呈“驼峰状”，峰值应力分别为28.3 MPa(-92.1 m)、24.2 MPa(-144 m)，当掘进头滞后回采工作面174 m时测点应力值逐渐收敛，并稳定在18.1 MPa。所以在掘进工作面迎9109工作面回采期间，掘进头在与回采工作面相对位置为61.7～-174 m的范围内时受采动影响较大，最大应力峰值点出现在滞后回采工作面18.8 m的位置。

图2 迎采巷道顶板全过程应力变化曲线

由图2可知，9110进风巷迎头距9109工作面的距离为61.7～-174 m时为强采动影响区，该范围内共有3次应力峰值点出现，应力集中系数分别为3.17、2.68、2.29，其中最大峰值点出现在迎头掘进巷道滞后回采工作面18.8 m的位置。以此结论为基础将整9110进风巷掘进作业分为两个阶段，其中S1-S2段迎头巷道掘进与回采作业同时进行，当两者相距93 m(考虑1.5倍的安全系数)时，掘进头停止作业，该段巷道受掘进扰动、9109工作面回采超前支撑压力的叠加影响，围岩稳定性较差，所以在巷道支护设计环节必须适当提高支护强度。S2-S3段当工作面推过迎采掘进头261 m(考虑1.5倍的安全系数)后，停掘工作面继续向前掘进，以避免回采工作面采空区顶板垮落运动对掘进巷道的影响。巷道分段掘进情况如图3所示。

图3 分段掘进示意

3 迎采巷道不同掘进段巷道位移规律分析

本节将以数值模拟提供的理论数据为基础，采用十字布点法对现场掘进期间S1-S2段、S2-S3段的位移特征进行研究。在顶底板中部垂直方向和两帮水平方向钻孔，将D30 mm×400 mm的木桩打入孔中。顶板和上帮木桩端部安设弯形测钉，底板和下帮木桩端部安设平头测钉。观测方法为在C、D之间拉紧测绳，A、B之间拉紧钢卷尺，测读AO、AB值；在A、B之间拉紧测绳，C、D之间拉紧钢卷尺，测读CO、CD值，测量精度要求达到1 mm，如图4所示。

图4 十字布点示意(mm)

由图5可知，S1-S2掘进段巷道位移变化呈现出明显的阶段性，大体可分为四个阶段。掘进影响阶段，迎头巷道与回采工作面的相对距离为93～53.8 m，该段巷道顶底板及两帮的位移量较小分别为60 mm、46 mm。回采超前采动影响阶段，随着迎头巷道与回采工作面相对距离的减小，掘进巷道变形量呈现出快速递增的趋势，顶底板收敛量达202 mm，两帮移近量为115 mm，分别占整个观测周期内巷道变形量的30.1%、22.9%.回采滞后影响阶段，该段掘进巷道位于回采工作面后方 124 m的位置，受回采工作面采空区顶板回转失稳等大结构变形的影响，此阶段内巷道变形也呈现出明显的递增趋势，该段顶底板及两帮的移近量分别为619 mm、438 mm。趋稳收敛阶段。在经历前三个阶段后掘进巷道邻近岩层变形趋于稳定，顶底板及两帮变形速率逐渐减少，并分别最终稳定在672 mm、504 mm。S1-S2段巷道断面维护效果如图6所示。

图5 S1-S2掘进段监测断面位移

图6 S1-S2段巷道维护效果

S2-S3段巷道开掘前会依次经历掘进超前支撑压力、回采工作面超前支撑压力、邻近采空区顶板回转失稳、复掘开挖多个阶段的复杂应力的叠加影响，因此巷道开挖后会在短时间内呈现出明显的塑性变形特性及蠕变特性。如图7所示，在滞后工作面269～375 m的区间内巷道顶底板及两帮位移呈快速递增趋势，数量值分别为128.8 mm、211.6 mm。之后巷道变形逐渐收敛，顶底板及两帮的位移量最终稳定在131.8 mm、212.8 mm。S2-S3段巷道断面维护效果如图8所示。通过对比可以发现S1-S2段巷道的变形量明显大于S2-S3段巷道的变形量。