大阳煤矿3405 工作面沿空留巷围岩变形机理研究

2023-09-09安雷

山东煤炭科技 2023年8期

安雷

（山西兰花科技创业股份有限公司大阳煤矿分公司，山西晋城 048000）

随着我国能源需求的日益增大，煤炭资源开采强度逐步增大并呈现日趋匮乏的状态[1-3]。为了提高煤炭资源采出率，沿空留巷技术受到越来越多矿井的青睐[4-5]。沿空留巷效果受地质条件影响较大，不同矿井需要具体问题具体分析[6-7]。本文以大阳煤矿3405 工作面沿空留巷为工程背景，分析回采巷道在留巷过程中的应力应变演化规律，并针对性提出巷道支护方案，保证巷道回采过程中安全性。

1 工程概况

大阳煤矿现开采3 号煤，煤层厚度为5.1～6.4 m，平均5.7 m。为了最大限度采出优质煤，拟采用沿空留巷技术，并在3405 工作面轨道顺槽（宽×高=5.8 m×3.2 m）进行试验。工作面布置情况如图1。根据现场钻孔柱状结果，直接顶为4.0 m 的泥岩，直接底为7.8 m 的粉砂岩，整体上顶板岩性较松软，底板岩性较好。

图1 工作面布置情况（m）

在未留巷之前，顶板采用Φ20 mm×2200 mm锚杆，间排距900 mm×900 mm；顶锚索Φ21.8 mm×8300 mm，间排距1800 mm×900 mm，靠近工作面侧两根锚索采用长度2400 mm 的钢带连接；两帮采用Φ20 mm×2200 mm 锚杆，间排距850 mm×900 mm。

2 沿空留巷变形机理研究

2.1 模型建立

基于现场情况，采用FLAC3D建立数值模型，模型长、宽、高为185.4 m×200 m×47.4 m，巷道宽、高为5.8 m×3.2 m，巷旁充填体宽度为1.4 m，共计464 100 个单元，483 184 个节点。固定模型底板和四周位移，在顶板施加10 MPa 垂直应力。对采空区采用双屈服模型，充填体采用应变软化模型，其他岩层采用摩尔-库伦模型。

2.2 巷道围岩应力分布

分别对工作面前方40 m 至工作面后方90 m 范围进行模拟分析，留巷过程中巷道围岩应力分布情况如图2。

图2 留巷过程中巷道围岩应力分布云图

3405 工作面轨道顺槽在留巷过程中应力分布情况可分为4 个阶段：

1）工作面前方20 m 以上。该部分受到采动影响较小，3405 轨道顺槽在工作面侧与实体煤侧的应力分布情况相似。在工作面前方40 m 位置处，3405 轨道顺槽两侧应力峰值均为15.8 MPa，应力集中系数1.58。

2）工作面前方0～20 m。该部分受到超前支承压力影响，围岩应力整体偏高，并且呈现工作面侧垂直应力明显大于实体煤侧的非对称分布情况。在工作面前方7 m 处，应力达到峰值点22.1 MPa，应力集中系数2.21。

3）工作面后方0～70 m。随着混凝土墙体的不断砌筑，充填体与采空区岩体之间逐步趋于稳定。实体煤侧应力峰值在工作面后方10 m 处为16.6 MPa，工作面后方30 m 处为18.8 MPa，工作面后方50 m 处为21.6 MPa，70 m 后24.9 MPa，并且应力峰值由表面向深部转移。

4）工作面后方70 m以上。该部分已经基本稳定，应力分布云图形状与应力值基本不再变化。

2.3 巷道围岩塑性区分布

留巷过程中巷道围岩塑性区分布情况如图3。

图3 不同位置处围岩塑性区分布

3405 工作面轨道顺槽在留巷过程中塑性区分布情况具有以下特点：

1）工作面前方20 m 以上。3405 轨道顺槽两侧破坏深度为2 m，顶板破坏深度约为3 m，破坏形式为剪切破坏。

2）工作面前方0～20 m。受到采动应力影响，3405 轨道顺槽两侧呈现非对称分布。实体煤侧破坏深度依旧为2.0 m，工作面侧破坏深度约为2.7 m，增加了35%。

3）工作面后方0～70 m。顶板破坏面积逐渐增大，在工作面后方30 m 处，巷道右上角尖角处发生剪切破坏并将顶板和帮部相连通；在工作面后方50 m处，直接顶泥岩与细砂岩交界处出现离层现象，破坏范围从交界面向下延伸并与3405 轨道顺槽顶板上方破坏区沟通，导致破坏深度大幅增加。

4）工作面后方70 m 以上。顶板破坏深度基本稳定，实煤体帮受到顶板强烈剪切作用影响，破坏深度由2.8 m 增加至3.5 m。

2.4 巷道围岩变形特征

分别在3405 工作面轨道顺槽顶板、充填体帮、实煤体帮和底板中部布置测点，监测巷道变形情况如图4。

图4 巷道变形情况

由图4 可知，巷道四周变形情况表现为：顶板＞充填体帮＞实煤体帮＞底板。在工作面后方，随着逐步远离工作面，巷道变形量逐步增加但变形速率逐步递减，并在工作面后方100 m 处达到最大，顶板、充填体帮、实煤体帮、底板的最大变形量分别为350 mm、257 mm、181 mm、78 mm。在工作面前方，工作面超前扰动影响范围约30 m，前方30 m 以上段围岩变形基本不再变化。

3 巷道支护方案

采用沿空留巷技术后，3405 工作面轨道顺槽将受到2 次采动应力影响，对巷道的变形量要求也更高。因此，需要对3405 工作面轨道顺槽进行补强支护，以满足3405 与3406 工作面的安全回采。补强支护设计如图5 所示，具体的补强要求如下。

图5 巷道补强支护设计（mm）

1）顶板每排补打2 根锚索，补打的锚索长度比原方案的长2000 mm，规格为Φ21.8 mm×10 300 mm，间距1800 mm，排距不变。

2）顶板在原有的金属网基础上再铺设一层金属网，实现顶板双层金属网支护。

3）在顶板靠近工作面侧补打一根长度2400 mm 的钢带，钢带两端各焊接一根废弃锚杆，用来增强稳定性。

4）巷旁采用柔模混凝土墙进行沿空砌筑，柔模墙宽度为1.4 m，由柔模布、混凝土、对拉锚杆等材料组成。混凝土采用C40 规格，柔模带规格为4 m×3.6 m×1.5 m，对拉锚杆尺寸为Φ22 mm×1550 mm，材质为500 号的高强螺纹钢。

为了监测巷道支护效果，在留巷期间对3405工作面轨道顺槽安装锚杆测力计、锚索测力计、顶板离层仪等仪器，进行矿压监测。监测结果显示：3405 工作面回采后，工作面后方200 m 处围岩基本稳定，稳定后顶板最大下沉量控制在250 mm 以下，充填体帮与实体煤帮变形量稳定在150 mm 以下，锚杆受力90～100 kN，锚索受力220～260 kN，能够满足3405 工作面以及3406 工作面的安全生产。