顾北矿沿空掘巷临空活动段围岩变形控制技术研究

丰安祥，史文豹

(1.淮南矿业集团有限责任公司 潘一煤矿，安徽 淮南 232001； 2.安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南 232001)

沿空掘巷可有效提高煤炭资源的回采率，但沿采空区掘进的巷道一般暴露在上一工作面侧向支承压力影响范围内，围岩处于塑性破碎带中，围岩的稳定性受上区段采空区残余应力影响较大[1，2]；同时巷道开挖后周边应力向巷道两侧转移，在煤柱侧更加明显，在这种复杂的应力环境下，巷道围岩支护稳定性难以保证[3-5]。据此，柏建彪[2，6]等研究了沿空掘巷围岩大结构、小结构的相互作用机理及变形破坏特征，并认为上一个工作面开采后，在煤体边缘0～7m范围内有一个应力减小区，适宜在该范围内沿采空区稳定掘进。华心祝[7]等通过分析覆岩运移规律和帮部支承压力分布规律，认为采空区附近煤层在一定范围内存在应力折减带。张农[8]研究认为，采动工作面对沿空掘巷煤柱的影响包括顶板破断、剪切、滑移及离层等动力现象，并提出了预应力组合支护技术。在沿空掘巷稳定性的数值模拟研究方面，相关研究[9-11]还表明，不同煤层岩性、开采深度、老顶强度、动载冲击以及支护方式等因素均会显著影响沿空掘巷留设煤柱的稳定性。综上，沿空掘巷围岩稳定性受临空活动段的影响特征仍需进一步的研究。本文以顾北矿南一采区1322(1)工作面为工程背景，通过UDEC数值模拟临空活动段沿空掘巷应力分布特征，对比不同支护工况对垂直应力与水平应力的影响，并进行现场工业性试验。

1 工程概况

顾北矿1322(1)工作面为孤岛工作面，并且其两巷在上区段工作面覆岩层还未稳定时就要进行掘进，属于典型临空活动段沿空掘巷。南一采区1322(1)面煤层倾角3°～7°，平均5°，11-2煤层厚度2.73～4.32m，平均厚度3.8m，属稳定型煤层。直接顶为泥岩，直接顶厚度1.65～4.15m，平均2.85m，老顶为中细砂岩，老顶厚度为4.8～7.4m，平均5.62m，老顶之上有2.5～8.2m不等的泥岩或砂质泥岩，其上为3.5～15m粉细砂岩。1322(1)工作面两巷顶板岩性柱状图如图1所示。

图1 1322(1)工作面两巷顶板岩性柱状图

2 临空活动区沿空掘巷支护设计

2.1 普通锚索网支护存在的问题

目前我国煤矿沿空掘巷普遍采用锚索网支护技术，如图2所示，包括固定于巷道靠工作面侧帮的多根帮锚杆(索)a，固定于巷道顶板的多根顶锚杆(索)b，固定于小煤柱的帮部加固锚杆(索)c。现有沿空掘巷小煤柱，包括高地应力沿空掘巷小煤柱加固基本上仅考虑靠沿空掘巷这一侧帮，而靠上区段采空区侧帮基本上没有进行预加固，仅靠上区段巷帮原施工的锚杆支护，而沿空掘巷后小煤柱的松动区范围大，锚杆基本上锚固在松动区范围内，在采动支承压力作用下极易引起小煤柱靠上区段侧帮原施工的锚杆失效、煤柱片帮，从而导致小煤柱的有效宽度减小，煤柱的稳定性降低，破碎围岩给支护带来了很大困难，直接威胁巷道安全。

图2 沿空掘巷常规锚索网支护示意图

2.2 临空活动区沿空掘巷支护方案

为了分析不同支护工况对未稳定段沿空掘巷围岩稳定性的影响，并改进支护技术，因此设计了三种支护方案，以进行不同支护工况下沿空巷道的应力分布特征模拟。工况一为常规沿空巷道支护方案；工况二为锚索支护巷道两帮；工况三为锚网索加固两帮，具体工况分别为：

1)工况一：巷道顶板采用4.9m长的M5钢带，5600mm×900mm的10#菱形金属网和7根Φ22mm×2500mm锚杆支护，顶板锚杆间排距770mm×800mm；顶板锚索采用槽钢组合方式布置，顶板锚索采用“3-3”交错布置，槽钢梁为长2.6m的14#槽钢，锚索间排距1200mm×800mm，巷中锚索规格Φ21.8mm×7200mm，两侧锚索规格Φ21.8mm×6200mm；巷帮采用3.2m长的M5钢带，3600mm×900mm的10#菱形金属网和5根Φ22mm×2500mm锚杆支护，为了提高煤柱的稳定性，煤柱侧帮布置一排水平锚索，帮部锚索规格为Φ21.8mm×6300mm。

2)工况二：巷道煤柱帮布置两根锚索，实体帮布置1根锚索，其它参数同工况一。

3)工况三：在上区段工作面回采前即对煤柱靠采空区侧提前增补一排锚索加固，帮部加固锚索规格为：Φ21.8mm×6200mm；煤柱靠沿空掘巷侧增补二排水平布置锚索，沿空掘巷靠实体帮增补一排水平布置常规锚索，帮部常规锚索规格为Φ21.8mm×6200mm，帮部注浆锚索规格为Φ22mm×6300mm，其它参数同工况一。

3 临空活动区沿空掘巷围岩应力模拟研究

3.1 数值模型的建立

为了分析临空活动区沿空掘巷围岩应力分布特征及支护改进方案设计的合理性，数值模拟实验以1322(1)轨道巷为背景，使用UDEC4.0模拟模型宽为700m，高250m。模型上方施加8.75MPa补偿载荷模拟上覆岩垂直应力，侧压系数λ=1，岩体强度采用M-C准则。顾北矿1322(1)孤岛面回风巷沿空掘巷煤柱宽度数值计算模型各岩层的物理力学参数见表1。

表1 煤岩层物理力学性质参数

3.2 模拟结果分析

本次数值计算模拟矩形巷道断面为：5.3m×3.4m，根据其支护方式的不同，分别模拟上述三种锚网索支护方案。三种支护方式下沿空巷道的垂直应力和水平应力云图如图3所示。由图3可以得出，由于煤柱在水平方向两侧采空，水平应力卸压，三种工况下水平应力在煤柱侧整体偏低，最大值约为8MPa；垂直应力在煤柱中部偏巷道侧出现应力集中区域。

图3 不同支护工况下巷道围岩应力云图

在巷道实体煤侧，由于受采空区侧向支承压力的影响，三种工况巷道实体帮均出现了垂直应力集中。其中，工况一由于煤柱侧破碎，难以给巷道提供稳定的支撑，应力峰值距巷道边缘较近，距巷道边缘距离约5m位置，峰值为30.1MPa；工况二应力峰值出现在距巷道边缘约6.5m位置，峰值为29.2MPa；工况三应力峰值出现在距巷道边缘约8m位置，峰值为28.6MPa，说明随着煤柱承载能力的增加，实体煤侧帮不仅应力峰值逐渐降低，而且峰值位置也逐渐向巷帮深部转移。

对比三种工况垂直应力云图可知，不同支护方式的应力集中程度有所差异，工况一中煤柱应力峰值为9.8MPa，工况二中煤柱应力峰值为14.8MPa，工况三中煤柱应力集中程度较为明显，煤柱中应力峰值最高，为25.6MPa。由此可以判断，工况一中煤柱全部发生压剪破坏，呈散体状态，几乎没有承载能力，煤柱强度不足以维护巷道稳定。工况二中煤柱近采空区侧边缘破坏区较大，影响煤柱的稳定性，煤柱强度难以维持巷道的稳定。工况三中煤柱边缘虽有小范围破坏，煤体进入塑性变形阶段，但在较高的围压作用下仍保持自身的稳定，且有较强的承载能力，能有效的控制围岩变形、提高巷道围岩稳定性。

4 工程应用

4.1 现场支护参数

在1322(1)工作面主运巷进行现场支护效果的试验，巷道锚索网联合支护设计参数如图4所示。

图4 未稳段采空区沿空掘巷支护参数示意图(mm)

1)顶板支护：锚索采用“3-3”居中+两侧走向锚索布置，安装在巷道中部，并位于两根钢带之间，两侧走向槽钢梁组合锚索布置于顶板不同锚杆之间，横、纵向槽钢梁长度均为2.6m。为了对顶板进行减跨，横向槽钢锚索规格为Φ21.8mm×7200mm；走向槽钢锚索规格为Φ21.8mm×6200mm；锚索托板规格为200mm×120mm×14mm。

2)巷帮支护：两排锚索分别位于巷帮由上向下第2根锚杆下方和巷帮下部第4根锚杆上方，距巷道底板距离分别为1100mm和2300mm，巷帮水平锚索由槽钢梁组合布置，槽钢梁长2.6m，每根槽钢梁上布置3根锚索。

4.2 支护效果

图5 1322(1)主运巷2测站围岩移近量和变形速度曲线

1322(1)主运巷2测站的围岩移近量和变形速度曲线如图5所示。由图5可知，1322(1)孤岛面主运巷顶底板最大移近速度为38mm/d，两帮为34mm/d，巷道掘进35d后围岩变形减缓，进入相对稳定期，但仍处于流变状态，此时顶底板移近量570mm，两帮移近量490mm。掘巷100d后顶底板累计移近量675mm，两帮累计移近量615mm，说明巷道围岩变形主要发生在掘进初期35d时间内，巷道围岩变形相对稳定后，仍处于流变状态缓慢变形。

5 结 论

1)通过模拟沿空巷道三种不同支护方式得出，由于侧向支承压力影响，留设煤柱在三种工况条件下均出现垂直应力集中，不同支护工况下煤柱可能会发生压剪破坏，并且巷道帮部压力大于顶压。随着煤柱承载能力的增强，实体煤侧帮应力峰值逐渐降低，而且峰值位置也逐渐向巷帮深部转移。

2)工程应用可知，通过锚网索联合槽钢梁加强支护顶板、巷帮围岩稳定性的控制技术可以有效改善临空活动段沿空巷道的稳定性。