厚煤层迎采巷道围岩稳定性控制方法研究

2022-08-31田泉

煤 2022年9期

田泉

(太原东山李家楼煤业有限公司，山西太原 030400)

在我国煤矿高产高效开采过程中，巷道稳定性控制一直是矿企重点关心的问题[1-3]，而对于迎采巷道的掘进，该问题显得尤为突出。在两工作面既有煤柱宽度留设的条件下，合理的选择掘巷时机以及对迎采巷道主要应力影响区进行合理有效的支护是有效控制巷道稳定性的重要保障[4-6]。在这方面的研究中，袁振华[7]研究了迎采动面沿空掘巷围岩应力分布特征及围岩控制方法，提出了“锚网索+单体液压支柱+π型梁”联合支护方法；王洁[8]研究了迎采巷道围岩应力、围岩变形、支护强度三者协调关系，提出了合理的采动影响下的巷道围岩控制技术,保障了工作面安全开采；郭重托[9]分析了不同煤柱宽度工作面回风巷围岩承载演化规律,提出迎采巷道采用“锚杆索+单体液压支柱+π型梁”补强支护技术。综合文献分析，对于迎采巷道稳定性控制研究主要在于合理的支护手段。本文以某矿迎采巷道掘进为工程背景，对巷道变形及应力分布特征进行了分析，据此提出合理的巷道稳定性控制方法，以保障迎采巷道的稳定性。

1 工程概况

某矿主采5号煤层，采用大采高综合机械化采煤工艺，煤层平均厚5.2 m，倾角1～8°，煤层结构简单，属于典型的缓倾斜厚煤层，煤层顶板主要为泥岩与细粒砂岩，底板主要为砂质泥岩与泥岩，煤层综合柱状图如图1所示。

图1 煤层综合柱状图

目前，该5号煤层主采5105与5107工作面，两工作面间留有30 m厚的保护煤柱，两工作面的位置关系如图2所示。5107工作面斜长230 m，走向长1 100 m，5105回风巷道迎着5107工作面回采方向掘进，属于典型的迎采巷道。在采动应力作用下，5105回风巷道稳定性易受到临近5107工作面回采影响，导致迎采巷道变形发展加剧。

图2 工作面位置关系

2 迎采巷道变形特征分析

为研究迎采巷道变形特征，采用十字布点监测法对5105回风巷道进行位移监测(巷道顶底板及两帮移近量)，在距临近5107工作面端部200 m位置布置2个监测基点，监测点间距10 m，监测点布置情况如图3所示。根据测点与临近工作面距离的不同，设置不同的监测周期，当距离小于10 m时，每天监测2次；当距离为10～20 m时，每天监测1次；当距离为20～60 m时，每两天监测1次；当距离大于60 m时，每周监测1次。

图3 迎采巷道监测点布置图

随5107工作面推进，监测点1所在位置的巷道顶底板及两帮移近量变化情况如图4所示。迎采巷道顶底板及两帮移近量表现为缓慢增加—剧烈增加—缓慢增加的变化特征。采动应力对迎采巷道的影响起点距1507工作面约50 m，工作面后方0～35 m范围影响剧烈；滞后工作面35～140 m范围，迎采巷道顶底板及两帮移近量缓慢增加；滞后工作面140 m以外，位移变化趋于平稳，此时迎采巷道顶底板最大移近量为245 mm，两帮最大移近量为275 mm.

图4 监测点1位移监测结果

随5107工作面推进，监测点2所在位置的巷道顶底板及两帮移近量变化情况如图5所示。

图5 监测点2位移监测结果

采动应力对迎采巷道的影响起点距5107工作面约55 m，工作面后方0～40 m范围影响剧烈；滞后工作面40～150 m范围，迎采巷道顶底板及两帮移近量缓慢增加；滞后工作面150 m以外，位移变化趋于平稳，此时迎采巷道顶底板最大移近量为268 mm，两帮最大移近量为325 mm.

综合分析，迎采巷道表现为缓慢—剧烈—平稳的发展特征。随着迎采巷道与临近工作面距离的减小，巷道受采动影响范围随之增加。通过对比两测点监测结果，当距离减少10 m时，巷道位移剧烈增加与缓慢增加影响范围分别扩大5 m，巷道顶底板移近量增加9.4%，巷道两帮移近量增加15.4%.需对超前工作面10 m与滞后工作面30 m范围内迎采巷道进行加强支护。

3 迎采巷道应力分布特征

研究采用FLAC3D软件，对迎采巷道随工作面推进应力变化特征进行分析。所构建的数值模型长×宽×高=550 m×300 m×70 m，巷道断面为宽×高=5.6 m×4.5 m，工作面间保护煤柱宽30 m，岩体力学参数如表1所示。模型底部固定，两侧边界进行位移约束，共划分为565 300个单元，模型顶部施加垂向载荷，载荷等效于上覆岩层重量。

表1 岩体力学参数

不同工作面距离条件下迎采巷道垂直应力变化情况如图6所示。随回采工作面推进，应力集中部位主要出现在所留煤柱中心位置，整体表现为先增加后减小的趋势。在超前工作面10 m与滞后工作面15 m范围内，巷道帮侧应力集中程度明显；当迎采巷道滞后工作面距离超过40 m时，巷道帮侧围岩及煤柱所有应力趋于平稳，受采动影响程度降低。

图6 不同工作面距离下垂直应力分布图

不同工作面推进距离条件下，迎采巷道围岩应力分布曲线见图7。当5105回风巷道滞后工作面15 m范围内，煤柱侧所受应力峰值为25 MPa，出现在煤柱内侧距5105回风巷道约12 m位置，此时5105回风巷道所受应力峰值为19.8 MPa，这是最主要的应力影响区；当5105回风巷道滞后工作面30 m时，煤柱侧所受应力约为15.5 MPa，位于煤柱内部15 m位置；当5105回风巷道滞后工作面超过40 m时，煤柱应力峰值减小为12.5 MPa，位于煤柱内部18 m位置。

图7 不同工作面推进距离下围岩应力变化曲线

综上分析，5107工作面推过5105回风巷道前后，煤柱内侧约12～18 m范围应力集中显现剧烈，应力表现为先增加后降低的变化特征。在超前工作面10 m与滞后工作面15 m范围内，5105回风巷道帮侧应力集中程度明显，应力最高可达19.8 MPa，这个区域内煤柱及迎采巷道所受应力均超过了原岩应力，是最主要的应力影响区，需要加强支护，以保障迎采巷道的稳定性。

4 迎采巷道稳定性控制方法

根据前述巷道变形及应力分布特征分析结果，在空间位置关系上，5015迎采巷道超前5107工作面10 m与滞后工作面30 m范围内，5015回风巷道受5107工作面采动影响最为严重，主要表现为巷道所受应力与变形均迅速增加。为此，对迎采巷道主要影响范围(40 m)，研究提出锚杆索+金属网+钢筋梯子梁加强支护方法以控制巷道的稳定性。

迎采巷道支护断面如图8所示。顶锚杆直径22 mm、长度2.5 m，间排距为0.75 m×1 m，锚固长度1.3 m，锚固力120 kN.顶锚索直径18.9 mm、长度8.3 m，排与排之间采取“232”交错布置方式，即相邻两排锚索分别布置2根与3根，3根锚索的排间距为1.6 m×1 m，距帮侧1.2 m，3根锚索的排间距为2 m×1 m，距帮侧1.8 m.锚索锚固长度为1.8 m.回采帮锚杆直径20 mm，长度2.4 m，锚固力为120 kN，锚杆间排距0.8 m×1 m.由于煤柱所受应力较大，在巷道煤柱帮补打两根锚索，直径15.24 mm、长5 m，锚索间排距为2.5 m×2 m，锚固长度1.76 m.

图8 巷道支护断面图(mm)

5 现场应用效果分析

为了验证研究提出的迎采巷道稳定性控制方法的有效性，迎采巷道主要影响区域进行加强支护后，对顶板及两帮锚杆受力情况进行了监测，同时对顶板3 m与10 m位置的位移情况进行了监测，监测点布置在5105回风巷道加强支护区段内，距离工作面100 m，监测点布置情况如图9所示。

图9 5105回风巷道监测点布置图

迎采巷道顶板及两帮锚杆受力监测结果如图10所示。巷道锚杆受力总体表现为缓慢增长—快速增长—平稳发展的变化特征，其中顶板锚杆受力最大，回采帮锚杆受力最小。当监测点距工作面60～100 m时，锚杆受力缓慢增加，锚杆受力最大为56.3 kN；当监测点距工作面30～60 m时，锚杆受力快速增加，锚杆受力最大为77.5 kN；当监测点距工作面10～30 m时，巷道锚杆受力平稳，锚杆受力最大为79.3 kN.综合分析，工作面推过巷道监测点前后，锚杆所有应力最高值明显小于锚杆锚固力(120 kN),锚杆受力状态良好，可保障巷道的稳定性。

图10 巷道锚杆受力图

巷道顶板位移监测结果如图11所示。随着巷道监测点位置与工作面距离的缩短，顶板不同深度位置的位移主要表现为缓慢增加—快速增加—平稳发展三个阶段，其中顶板10 m深度位置的垂直位移普遍高于3 m深度位置的垂直位移。对于顶板3 m深度位置，最大垂直位移约为89.5 mm；对于顶板10 m深度位置，最大垂直位移约为106.7 mm，与巷道稳定性控制方法实施前相比(268 mm)，顶板垂直位移减小了60.2%，迎采巷道稳定性控制效果良好。