超长孤岛工作面沿空掘巷矿压显现规律及原因分析

郭之标，杨 森

(安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南 232001)

由于孤岛工作面的顶板压力大，巷道变形剧烈，对孤岛工作面巷道支护造成很大的难度。因此，研究孤岛工作面条件下沿空掘巷矿压显现规律对于减少顶板事故，提高资源回收，降低消耗，增加矿井经济效益，具有很大意义。目前，有许多学者针对孤岛工作面沿空掘巷煤柱宽度设计、位置、围岩控制技术等[1-7]方面进行了大量的研究，但对超长孤岛工作面条件下矿压显现规律及原因分析较少，尤其是超长工作面两侧采空区下的矿压研究不足。本文以两淮矿区刘庄矿120502孤岛工作面机巷为工程背景，对沿空掘巷期间矿压显现规律进行分析，并利用FLAC3D对变形原因进行探究，最后给出了加强支护方案，结果可为孤岛工作面沿空掘巷提供良好的经验和借鉴。

1 巷道概况

1.1 地质条件

120502工作面所采5号煤层倾角较小，可近似为水平开采。煤层厚2.22～5.10m，并且处于多煤层组成的煤层群之中，顶底板岩性如图1所示。

图1 顶底板岩层综合柱状

120502工作面东临XL2陷落柱(工作面切眼紧贴XL2陷落柱保护煤柱外推80m线)，西接5煤集中上山，南为120503工作面采空区(与工作面之间留设煤柱32m)，北靠120601工作面采空区(与工作面之间留设煤柱22m)，上方为6-1煤及8煤采空区(与工作面平均法距8.5m)，为典型的孤岛工作面，地应力集中。120502孤岛工作面设计为走向长壁式开采，机巷可采走向长为998.8m(平距)，底板开采标高为-627.3～-660.9m，工作面切眼宽为289.6m(平距)巷道断面为三心拱，净断面面积为22.7m2。目前，120502孤岛工作面机巷已掘进891.4m(不包括外段修巷60m)。

1.2 锚网索初始支护布置

采用螺纹钢左旋金属强力锚杆(φ22mm×2500mm)端头锚固配合双层金属网(金属网+菱形网)(φ6mm×100mm×60mm)、H型普通钢带以及钢绞线锚索(φ21.8mm×9200mm)。其中，锚杆间排距800mm×800mm，锚索间距1300mm，排距1200mm，每排7根，锚网索支护布置如图2所示。

图2 锚网索支护布置

2 现场实测与分析

2.1 顶板离层

在120502孤岛工作面沿空掘巷期间，通过安设26个顶板离层仪对顶板离层情况进行监测，得到前期顶板离层变化较小，在距巷道起点92m处，顶板离层开始有较大的变化，尤其在距巷道起点[683～932m]范围内，顶板离层变化更为显著。从总体变化趋势来看，浅部离层量与深部离层量随距巷道起点距离的增加呈锯齿状变化，且浅部离层量普遍高于深部离层量，其中，浅部离层在距巷道起点785m处，达到最大，为59mm。在距巷道起点932m处，浅部离层量为0，深部离层变化更为明显，离层量达到117mm。分析认为，产生锯齿状变化的原因可能是由于工作面推进过后，顶板周期破断产生的顶板岩块仍处于铰接状态，而沿空掘巷破坏了这种状态，使原周期破断的岩块发生翻转，导致掘进过程中顶板离层发生周期性变化。该孤岛工作面沿空掘巷顶板离层变化情况如图3所示。

图3 顶板离层

2.2 巷道围岩表面位移

通过在120502孤岛工作面机巷布置24个测站，对巷道围岩变形情况进行监测，得到在巷道掘进前期采空区侧巷道围岩变形较小，随后变形随距巷道起点距离的增加而增大，如图4所示。总体来看，120503工作面采空区侧变形最大，平均值为180.41mm，最大值为780mm，依次为实体煤侧(平均值为138.23mm，最大值为445mm)、底鼓(平均值为124.29mm，最大值为545mm)、顶板下沉(平均值为64.03mm，最大值为430mm)。并且120503工作面采空区侧变形、顶板下沉及底鼓大致在距巷道起点600～800m之间变化较为剧烈。说明120503工作面采空区回采时间较久远，围岩压力基本稳定，且设计留设煤柱较宽，巷道掘进时来压不明显，数日之后因受掘进期间人工扰动影响，导致应力重新分布，巷道压力逐渐增大[8]。因此，在对上述孤岛工作面机巷进行掘进时，对该段巷道围岩加强观测及支护。

图4 巷道围岩表面位移

2.3 锚杆(索)受力

通过在120502孤岛工作面机巷使用MCS-400和MCS-450矿用本安型锚杆(索)测力计对实体煤侧、该机巷左边工作面采空区侧、顶部锚杆及顶部锚索受力进行监测，得到巷道顶部锚索受力最大，平均值为180.25kN，最大值为315kN，依次为顶部锚杆(平均值为110.5kN，最大值为179kN)、工作面采空区侧锚杆(平均值为67kN，最大值为83kN)、实体煤侧锚杆(平均值为34.5kN，最大值为60kN)。分析认为，由于在距巷道起点距离较小时，上述孤岛工作面靠近左边工作面采空区，因此，受左边工作面采空区和顶板内6-1煤影响，使顶部锚索和采空区侧锚杆受力较大。在距离巷道起点较远处，由于距离右侧工作面采空区停采线很近，顶部锚杆(索)受力明显增大，说明：受右侧工作面采空区影响，人工扰动后顶部应力重新分布。因此，需加强对巷道的矿压观测，必要时采取加固措施。锚杆(索)受力情况如图5所示。

图5 锚杆(索)受力监测情况

3 基于FLAC3D的巷道变形原因分析

3.1 建立模型

利用FLAC3D数值模拟软件对120502孤岛工作面机巷应力分布特征进行分析。

模型共有380730个单元体，399807个节点。设置模型顶部为自由面，其余边界使用位移约束。模拟方案为：开采右侧工作面；运算平衡之后开采左边工作面；运算平衡之后分步开挖巷道。

3.2 模拟结果分析

3.2.1 机巷两帮垂直应力分布特征

图6是120601工作面开采之后的垂直应力云图，从图6可以看出，开采造成的扰动已经影响到巷道区域，且在中间煤柱处形成了应力集中[9]。说明回采120601工作面对于该机巷会产生影响，应注意应力叠加对巷道支护困难的问题。

图6 机巷左边工作面回采之后垂直应力分布

通过图7所示的上述机巷两帮垂直应力曲线可以看出，采空区残余支承压力和掘巷侧向应力叠加之后的影响范围小于50m，可以推断，120503工作面距离该机巷还隔有约300m的工作面和32m煤柱，必然处在采动扰动范围之外，因此，孤岛工作面中的采空区只对相邻巷道产生影响。对于上述工作面机巷变形来说，主要受120601工作面回采的影响。

图7 采空区侧与工作面侧应力分布曲线

采空区侧煤帮为22m煤柱，从上面的分析可知，在左边工作面回采之后，其垂直应力影响范围已延伸至该机巷，在沿空掘巷之后，垂直应力达到最大[10]。分析认为，由于垂直应力会在煤柱内形成弹性核，使垂直应力达到32.5MPa，工作面侧垂直应力达到26.3MPa，相比增加了6.2MPa。高垂直应力说明浅部煤帮在应力转移过程中发生破坏，破碎区大，帮部变形大，显然，受到左边工作面回采的影响，采空区侧承受更大的载荷，该侧帮部变形大于工作面侧帮部，这就能够很好地解释现场左帮变形大的原因。

3.2.2 塑性区分布规律

通过图8所示的塑性区来看，顶板主要受到剪切破坏，这是由于该机巷采用三心拱断面，顶部拱结构能够将上覆垂直应力转化为径向应力与切向应力，岩石抗压不抗拉，因此顶板结构变形较小，比较稳定。从底板破坏原因来看，拉破坏是主要原因，顶板拱结构能够将垂直应力通过煤帮传递给底板，在垂直应力作用下底板发生挠曲，由材料力学可知，底板岩梁上部受拉，下部受压，容易发生破坏，产生大变形。综合以上因素，上述机巷顶板较为稳定，而底板变形量较大。

图8 塑性区分布规律

4 巷道加强支护技术

(1)帮部位移控制 通过对帮部位移较大处施工一排长4200mm锚索进行加固，同时在巷道掘进期间，在靠近120601工作面采空区侧施工一排长4200mm的锚索加强支护，通过观测分析，对帮部进行加固后，帮部位移量及位移速度明显减小。

(2)加固顶板 由图3及图4可知，在上述工作面沿空掘巷至巷道起点距离640～880m之间，顶板离层与顶板下沉较为剧烈。因此，需对该段顶板采用锚网索联合主动支护方式进行加固[11]，具体为在距巷道起点640～800m范围内，对巷道顶板进行打锚索吊梁。在800～880m阶段巷道进行喷浆、注浆加固，巷道顶板加强支护后，通过观测，压力显现情况得到有效控制，尤其是注浆段巷道，巷道没有明显压力显现情况。

(3)加固底板 由图4可知，在距巷道起点600～700m范围，底板变形较大，底鼓量均超过300mm，最大达到545mm。因此，对于该范围内底板的加固显得尤为重要，由于上述工作面直接底岩性为深灰色泥岩，属于软岩，可通过注浆配合底板锚杆(索)进行支护。通过观测可知，这种支护有效地降低了底板的变形破坏。

5 结 论

通过对120502孤岛工作面沿空掘巷期间巷道围岩变形采用FLAC3D模拟软件进行模拟以及现场观测，发现巷道围岩前期变形较小，之后在掘进过程中由于受采空区影响，巷道围岩变形增大。具体表现为：

(1)由于垂直应力在煤柱内形成弹性核，使垂直应力达到32.5MPa，工作面侧垂直应力达到26.3MPa，相比增加了6.2MPa，机巷采空侧受120502工作面采空影响大，采空区变形达到780mm。

(2)从巷道顶底板变形来看，由于顶板为拱结构，将垂直应力通过煤帮传递至底板对底板产生的扰动较大，使底鼓量大于顶板下沉量。

(3)从上述顶板离层监测情况来看，主要以浅部离层为主，最大达到59mm。为降低孤岛工作面沿空掘巷所造成的巷道围岩变形，对该超长孤岛工作面机巷进行加强支护，结果表明锚网索与喷浆、注浆支护手段最有效。