二次动压巷道围岩变形与合理煤柱宽度留设研究

王 建，杨长瑞

（1.中煤科工集团重庆研究院有限公司；2.正龙公司城郊煤矿,重庆 渝北 404100）

在煤矿巷道中，70%～80%的巷道受到采动影响[1]，表现形式复杂多样，如巷道强烈底鼓、围岩变形难以控制，在多次采动形成的动压影响下，给巷道的维护及后期工作面准备带来了困难，逐渐成为制约煤矿集约化生产的瓶颈。

1 工程地质概况

城南煤矿一采区辅助采区东部为F2101工作面（已采）；西部为F2105综采工作面（已采）；南部为T2209工作面（已采）；北部为F2103工作面（待采），见图1。

采区胶带顺槽、轨道顺槽均沿二2煤层掘进，煤层平均厚度为3m，以亮煤为主。煤层顶底板岩性为：局部有伪顶，随采随冒；直接顶为细粒砂岩，平均厚度3.29m，灰白色，以石英为主，长石次之。老顶为砂质泥岩，灰黑色，砂粒分布不均匀，中间夹杂粉砂岩条带。直接底为砂质泥岩，平均厚度0.37m，砂质分布均匀。老底由细粒砂岩、粉砂岩组成，平均厚度为13.65m，主要成分为石英，长石次之，斜层理发育。

采区巷道在掘进过程中并未出现异常矿压显现，顶底板及两帮收敛变形量在100mm左右，也无底鼓显现。随着F2105综采工作面的回采结束，采区巷道两帮变形量均较大，底鼓量大，帮部锚杆出现压脱、网断裂、顶板加固锚索压脱等现象，且后期加固用的绞架发生严重变形。

2 采区巷道现场监测

针对一采区辅助采区巷道在掘进及采区工作面回采过程中出现的压力大、巷道维护困难等一系列情况。为了摸清采区巷道的围岩变形特征，并保证回采巷道的正常维护及后期使用制定切实可行的方案，对采区巷道围岩变形情况进行综合监测[2,3]。

2.1 监测内容

在采区巷道内分别布置测站，监测巷道顶板离层情况、两帮及顶底板收敛变形量，并实时记录矿压显现现象。

2.2 监测结果分析

1）一采区辅助采区轨道顺槽观测结果

各测站两帮及顶底板累计收敛变形量及收敛速度如图2所示。从图2可以看出：

（1）Ⅱ#测站处的两帮累计收敛量最大，为1750mm；Ⅲ#测站次之，为1300mm；Ⅰ#测站处最小，为1000mm。Ⅲ#测站处的顶底板累计收敛量最大，为490mm；Ⅱ#测站次之，为340mm；Ⅰ#测站处最小，为312mm。

（2）Ⅱ#、Ⅲ#测站处两帮、顶底板位移量明显大于Ⅰ#测站。由于Ⅱ#测站受F2105与F2101综采工作面留设煤柱支承压力叠加作用影响，导致应力集中，巷道表面位移收敛量大。Ⅲ#测站受断层、裂隙结构面等地质构造影响，根据现场揭露情况，Ⅲ#测站处于断层尖灭处，变形收敛量较Ⅰ#测站大。

（3）各测站两帮、顶底板收敛速度在掘进初期较稳定，0～0.65mm/h之间。随着F2105工作面的回采结束，各测站巷道两帮及顶底板位移收敛速度迅速增大至14mm/d、3.6mm/d。随后，尽管收敛速度有所减小，但仍处于不稳定阶段。说明Ⅱ#测站附近受F2101、F2105综采工作面遗留煤柱上叠加应力的作用而使巷道变形大。

（4）相应的各个测站两帮累计位移收敛量大于顶底板的累计位移收敛量，顶板变形较小。

2）一采区辅助采区胶带顺槽观测结果

巷道不同位置处两帮及顶底板累计收敛变形量如图3所示。

图3 巷道各断面处两帮及顶底板累计收敛量曲线图Fig.3 The curves of cumulat ive displacements in roadway sides, roof and f loor at observation stations

从图3可以看出：两帮位移量大于顶底板位移量，在通尺620m～640m范围内，受F2105综采工作面留设煤柱的影响，两帮及顶底板位移量较大，分别达到了2100mm、1600mm。且仍然处于不稳定阶段。

3）顶板离层观测

离层仪浅部基点为2.5m、深部基点为5.5m，通过观测，深部基点与浅部基点位移值基本相同，不同值的差值很小，几乎可以认为是误差所致。

在观测的顶板范围内，上位与下位岩层没有离层现象，顶板处于整体沉降状态。

3.巷道围岩受力破坏及未采面煤柱留设宽度模拟分析

3.1 单侧工作面开采对巷道围岩应力的影响

左侧采面主要是指T2209、F2105、F2103等综采工作面，右侧采面指F2101综采工作面，各采面与采区巷道间的水平距离对采区巷道的围岩稳定性有着重大的影响。运用FLAC3D数值模拟软件分析了F2103工作面开采对采区巷道的影响[4]。

由表1可以明显看出：支承应力影响显著范围与煤柱宽度关系不大，随煤柱尺寸增大，各采区巷道的围岩应力集中系数都有所减小，由1.54减小到1.12。在煤柱尺寸大于70m时，采区巷道围岩应力略大于原岩应力，处于稳定阶段。

从采区巷道围岩的剪切应力分布图中分析得出，无论宽煤柱还是窄煤柱条件下，都会由于巷道围岩剪切应力分布不平衡而导致剪切破坏变形。垂直应力均影响了两采区巷道的围岩变形，煤柱上叠加支承应力传递至巷道两帮煤体，进而传递至底板，导致两帮移近量大及底板鼓起等矿压显现现象。

表1 开采引起的巷道围岩应力集中系数及显著影响区范围

综上所述，在F2105采面回采结束前，巷道没有明显变形，而随着该工作面的回采结束，采区巷道逐渐发生变形和破坏，且受F2101综采工作面遗留煤柱支承应力的叠加影响，导致巷道两帮煤体松软，巷道围岩稳定性差，巷道不能满足正常回采需求。

3.2 两侧工作面同采后巷道围岩应力及变形情况

根据现场实际条件，右侧F2101已经回采结束，与采区巷道之间煤柱间距在20～75m之间，取最小煤柱尺寸20m，左侧煤柱尺寸分别取50m、80m、100m、120m进行研究，模拟结果如表2所示。

表2 不同煤柱宽度引起的巷道围岩应力集中系数

从表2可以看出，受F2101综采工作面窄煤柱的影响，采区巷道均表现出了高应力状态，且采区巷道围岩的应力集中系数随着煤柱尺寸减小而增大，从1.23增大到2，即窄煤柱产生的应力集中系数是宽煤柱产生的应力集中系数的1.62倍。在左侧煤柱宽度超过100 m以后，采区巷道支承应力集中系数逐渐趋于稳定。

综上所述，对于F2103未采工作面，建议保留100 m以上的煤柱，能避开采区巷道受多次采动影响，为后期回撤工作提供帮助。

4 结论和措施

1）采动影响是影响巷道稳定的主要原因。

随着时间的推移，超前支承压力逐渐释放，巷道顶板位移逐渐趋于平缓，但两帮变形量及底板鼓起量处于不稳定状态，巷道两帮。

2）对于F2103未采工作面，建议保留100m以上的煤柱，以避开采区巷道受多次采动的影响，为后期回撤工作提供帮助。

[1] 张向阳,涂敏,黄乃斌.动压影响下底板大巷围岩应力分析及其控制研究[J] .煤矿开采,2006,11(3): 58-61.

[2] 蒋金泉.矿山压力监测及预报[M] .北京:煤炭工业出版社,1996.

[3] 隋红军,张淑坤,路达.采区巷道监测方案设计分析[J] .山西建筑,2008,34(10):100-101.

[4] 马元,靖洪文,陈玉桦.动压巷道围岩破坏机理及支护的数值模拟[J] . 采矿与安全工程学报,2007,24(1):109-113.

[5] 张向阳,常聚才,王磊.深井动压巷道群围岩应力分析及煤柱留设研究[J] .采矿与安全工程学报,2010,27(1):72-76.

[6] 李卫东,李功,刘仲明.深井动压巷道岩石注浆加固实验与稳定性控制研究[J] .煤,2009,18(6):7-18.