综放沿空留巷覆岩运动规律及监测研究

屈永超

0 引言

沿空留巷是一种经济、高效、安全的巷道布置方式，对于缓解采煤工作面接替紧张，减少掘进次数非常有利［1－3］。国内学者对沿空留巷技术进行了系统的研究，在矿压理论、支护技术和巷旁支护材料等方面取得了很多成果［4－7］。朱川曲根据综放沿空留巷围岩变形大且围岩力学参数中有许多随机变量的特征，通过建立综放沿空留巷支护结构可靠性分析模型，认为合理选择锚杆类型、加大锚杆支护密度、改善锚固体及充填材料力学性能等措施，可以提高综放沿空留巷支护结构的可靠性［8］。华心祝等提出了一种锚索主动巷旁加强支护，分析了巷旁锚索加强支护的作用机理，为3 m以上较大采高工作面沿空留巷技术提供了依据［9－10］。康红普等为应对剧烈矿压，采用高预应力、强力锚杆与锚索作为巷内基本支护，配合使用单体支柱配铰接顶梁和膏体充填巷旁支护，能够有效控制深部沿空留巷围岩的强烈变形，保持留巷稳定［11］。虽然近年来我国煤巷锚杆支护技术得到了迅猛发展，锚杆材质强度、支护强度以及锚杆支护的预紧力水平均得到较大提高，配合使用新的膏体充填材料使巷道维护效果不断改善，但是沿空留巷是一类典型的极难维护的动压巷道，在原岩应力、采动应力叠加的作用下，围岩的破碎区、塑性区范围大，锚固体的力学状态发生剧烈变化，围岩与锚固体一起向巷道内整体移动，巷道产生大变形和剧烈变形，该类巷道的支护难题仍没有得到有效解决。文中以国投新登郑州煤业有限公司的31061工作面为研究对象，开展综放采场沿空留巷技术的研究。最终巷道支护采用高预应力、强力锚杆与锚索作为基本支护，在工作面后方巷道配合使用单体支柱配铰接顶梁，在动压后，工作面后方70 m处进行维修的方案。达到了降低巷道支护成本，改善巷道围岩受力状况，成功实现沿空留巷及促进矿井高产高效安全的目的。

1 数值模拟

1.1 模型建立

为了较为全面地反映沿空留巷巷道上覆岩层的活动规律与变形的力学过程，以31061工作面为原型，利用CDEM建立数值计算模型如图1所示。模型高160 m，模拟的工作面的走向长度为230 m，取平均煤层倾角为12°，开切眼位于离左边边界38．25 m处，开切眼的长度为6．467 m．模型左侧限制水平移动，底面限制垂直移动，上部施加垂直荷载模拟上覆岩层的重量。为了更加真实模拟采场上覆岩层垮落状态，将液压支架也加入到模型中，支架高度等于煤层高度，每次开挖的长度为0．6 m，开挖的总走向长度为120，即开挖步数为200步，由于每开挖一次都要重新计算平衡并保存文件。模型共有节点数10 699，块体数8 176，含5个三角形单元，四边形单元数为9 171．岩石力学参数见表1．

图1 数值模型Fig．1 Numerical simulation model

1.2 数值模拟结果及分析

在模拟开挖的过程中，当开挖进行了9．6 m时，直接顶发生初次垮落，垮落范围在顶板以上1.45 m以内，此时的主关键层下端最大位移量为55 mm左右，基本保持完好，仅有少量的裂隙。图2(b)是在开挖了20 m后，直接顶发生二次破断，此时顶板发生第一次来压，支架伸缩量有小幅度增加，为16 mm左右，工作阻力为23 MPa．在工作面推进了21．6 m时，主关键层第二次破断，工作面发生第二次周期来压，来压步距为11．6 m，此时支架上的监测点的工作阻力有明显的增大，达到了26 MPa，液压支架的下缩量有12 mm左右，说明此次周期来压在液压支架上的显现较为明显。图2(c)是开挖了29．4 m时老顶第一次发生破断，破断位置在煤层沿x坐标走向64 m的上方，并与上方岩层产生较大的离层，离层最大宽度为1．37 m左右，由于此时垮落的位置距离工作面仅有20 m的距离，工作面明显受到老顶破断的影响，表现在液压支架上就是下缩量有明显的增大，介于15到16 mm之间。

表1 岩石力学参数表Tab．1 Coal rock mechanical parameters

图3 ，图4是工作面推进了120 m后的Y方向应力云图、位移云图，可以看出在工作面的上覆岩层形成了垮落带、裂隙带和弯曲下沉带。在超前工作面的19到25 m的范围形成了局部的应力集中，应力大小为21 MPa．在部分后方采空区上方20 m的老顶附近也有部分范围的应力集中现象产生，应力大小为23 MPa左右。通过分析位移云图可以看出，工作面覆岩存在明显的三带:垮落带，裂隙带和弯曲下沉带。其中采空区的最大位移量在4.46 m．

2 现场工业性实验及监测

图3 应力云图Fig．3 Overburden stress nephogram

31061工作面位于31采区北翼，工作面沿走向布置，沿倾斜推进。该工作面风巷主要用于:工作面的回风、物料运输、行人等。该巷道采用工字钢支护，断面规格2．2 m×3．0 m．该工作面运输巷主要用于煤炭运输和工作面的进风，该巷道采用工字钢支护，断面规格2．2 m×3．0 m．该工作面采用ZYF2600/15/24中间架和ZFG2800/16/26放顶煤过渡支架支护，采面共要设 101架，其中ZFG2800/16/26放顶煤过渡支架6架，ZYF2600/15/24支撑掩护式支架95架，采空区采用全部垮落法管理顶板。

图4 覆岩位移云图Fig．4 Overburden displacement nephogram

为了掌握31061综放面沿空留巷矿压及巷道变形规律，需要对工作面前超支承压力、超前巷道变形、采空区后方侧向支承压力、巷道压力、巷道变形、二次维修后巷道变形等进行详细观测，检测内容及手段见表2．煤体内部的压力变化使用钻孔应力计进行监测、巷道压力使用单体支柱压力计监测加强支护支柱压力变化、巷道变形使用激光测距仪进行测量，每次测量对工作面位置、巷道变形情况、测点使用情况等进行记录。

表2 沿空留巷综合监测内容Tab．2 Comprehensive monitoring content of the roadway along the road

根据31061工作面情况及前述矿压研究结果，经现场实地考察共设计13个巷道变形、煤体应力、支柱变形等应力监测点，具体布置如图5所示和见表3．

选用GMC20钻孔应力传感器，其特点能够放置钻孔内部(钻孔规格42 mm)，测量煤矿井下煤层或岩层内部应力的变化，例如工作面前方煤层超前支撑应力，预留煤柱的支撑应力等，是测量因采动影响煤层或岩层内部应力场的变化，是研究采场动压作用规律的重要手段之一。采空区后部留巷巷道的采用单体支护加强支护，通过监测单体支柱压力变化探寻巷道压力。采用YHY60(C)矿用本安型压力检测仪与本安型手持采集器配套使用。巷道变形主要监测巷道两帮和顶底板移近量，采用十字交叉法进行测量，测量设备采用激光测距仪，将激光测距仪安装在自行研制的微调支架上使用，以进行精确测量，必要时辅以卷尺进行校正。

表3 监测测点列表Tab．3 List of monitoring points

图5 沿空留巷测点布置Fig．5 Design of measuring points along the roadway

如图6所示，使用将激光测距仪及微调支架在巷道一侧支架即A点，测量巷道宽度AB，然后在D点向上测量巷道高度CD。同时，记录单体柱插底高度，巷道及支架变形情况。

测量过程，从2014年6月21日到11月22日，共计155 d，期间工作面推进距离112 m．矿上7月20日～8月10日和9月28日到10月18日分别放假20 d，工作面在此期间停产。

图6 表面位移测点示意图Fig．6 Schematic diagram of surface displacement measurement points

图7 分别为采空区后方留巷内测点7，测点8，测点9，测点10数据曲线，横坐标为测点距工作面距离，主次纵坐标分别为巷道位移和支柱压力。

图7 各个测点位移和压力Fig．7 Displacement and pressure of each measuring point

巷道变形量以顶底板相对位移量为主，各测点监测到的巷道顶底板位移量为0．5～0．8 m，两帮位移量为0．2～0．4 m．采空区覆岩垮落对巷道形成垂直方向上的压力引起顶板下沉，同时巷道底板无支护，高应力作用下巷道底臌，两者共同引起巷道变形。各测点单体支柱上的数据变化较好地反映了覆岩压力的变化过程。单位支柱压力变化范围在10～16 MPa之间，远没有达到安全阀值。主要是因为巷道底板较软弱，支柱容易插底。现场观察也发现，虽然每个支柱都垫有柱鞋，但所有支柱均有较大的插底量。

利用工字钢对棚+单体支柱加强支护的方式能够保证31061机巷留巷安全的度过动压影响，从过度到动压影响稳定阶段。工作面后方留巷根据矿压显现特点可以分为3个阶段:第一阶段是压力缓慢升高阶段，在工作面后方30～40 m范围内，此阶段巷道变形较快，支架压力升高速度较慢;第二阶段是压力快速增加阶段，在工作面后方40～70 m范围内，此阶段支架承受压力快速升高，巷道变形继续增加，工字钢支架产生明显破坏，单体支柱插底。第三阶段是压力稳定阶段，在工作面后方70 m以后，基本顶断裂以后，巷道压力不在快速上升。留巷进入第三阶段后，巷道已基本度过动压影响阶段，并且支架经受较大变形后承载能力降低，因此，采空区后70m左右是进行二次维修的合理位置。留巷二次维修后，因维修时对巷道顶煤及侧帮进行扩大，巷道围岩应力重新小副调整，同时基本顶以上的高位上覆岩层垮落仍会对巷道产生一定影响。巷道二次维修完成以后，仍有少量变形(底臌量在0．4 m以内，两帮变形在0．3 m左右)，变形主要出现在维修后30m范围内，30 m以外巷道不在出现变形。由此也可知，在保证临时支护能够有效的承载条件下，二次维修位置应尽量靠后，距工作面90～100 m距离是二次维修最理想的位置。

3 结论

1)数值模拟分析结果表明，工作面分别在开挖到9．6，20，30 m 时，直接顶发生初次垮落，直接顶第一次周期来压，老顶断裂，工作面第一次发生老顶的来压;

2)模拟的应力分布表明，来压时应力剧烈，局部的应力集中于超前工作面的20 m左右，工作面覆岩存在明显的三带，后方应力集中于老顶;

3)通过现场观测数据分析发现，支柱达不到最大支撑能力使切顶不及时，对巷道变形影响较大，建议有条件矿井可以采用高强度加强支护支架;

4)工作面后方的留巷根据矿压显现特点可以划分为:压力缓慢升高阶段、压力快速增加阶段和压力稳定阶段，总共3个阶段。当留巷进入第三阶段后，巷道已基本度过动压影响阶段，并且支架经受动压后承载能力降低，并分析出采空区后70 m左右是进行二次维修的合理位置。

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