沿空掘巷巷道围岩变形监测分析

李亚锋

（山西焦煤霍州煤电晋北煤业有限公司，山西 忻州 035100）

相邻巷道之间留设宽煤柱不仅会造成资源浪费，还会使开掘巷道围岩形成高集中应力区，容易发生变形破坏，影响巷道的安全掘进[1]。沿空掘巷作为一种窄煤柱掘巷技术，逐渐成为现阶段矿井主要研究方向之一[2-3]。但是沿空掘巷掘进位置一般处于煤帮的支承压力峰值下，影响巷道的稳定性，不利于巷道的后期支护[4-6]。因此，通过对沿空巷道围岩变形的监测，得到巷道围岩变形规律，对巷道的支护提供一定的参考依据。

1 工作面概况

晋北煤业5-4071 巷北部为正在回采5-405 工作面，东部为4 采区集中皮带巷和轨道巷，西部为已经回采完毕的5-401 工作面。地面标高+1446 ～+1507m 左 右，井下标高945 ～1050m左右，埋深约470 ～640m 左右。煤层厚度约2.0 ～4.5m，平均厚度3.5m，煤层赋存稳定，煤层倾角为6°～10°，f=1.7 左右。为了节约资源，减小护巷煤柱的大小，5-4071 巷沿着正在回采的5-405工作面掘进。

2 沿空巷道侧向支承压力分布规律

沿空巷道会受到采空区侧向支承压力的影响，其主要受到已采空工作面侧向支承压力和本工作面超前支承压力的影响，而采空区侧向支承压力影响的大小取决于沿空掘巷所留煤柱的大小。随着工作面向前推进，靠近采空区一侧巷道围岩应力升高形成应力集中区，当高集中应力超过边缘煤体所能承载的极限时，巷道围岩由弹性状态转化为塑性状态，围岩发生变形破坏。侧向支承压力向煤体深部转移，在外界扰动的影响下，巷道顶板在工作面两侧发生断裂破坏，形成内外两个应力场，其应力分布示意图如图1 所示，其中1 为内应力场曲线，2 为外应力场曲线。内应力场处于顶板断裂线与煤体边缘之间，其应力值较小；外应力场处于断裂线外侧，在断裂线附近应力升高，形成应力升高区，应力向深部转移，垮落岩石逐渐充满采空区空间，巷道围岩趋于稳定，应力值逐渐减小，最后稳定在原岩应力值大小。

图1 工作面侧向支承应力示意图

3 沿空巷道围岩监测

3.1 监测方案

（1）采用测杆和钢卷尺等机械测量方法对5-4071 巷围岩顶底板移近量和两帮移近量进行监测，得到巷道围岩变形量。

（2）采用电感式位移传感器监测5-4071 巷围岩变形速率，从而判读巷道围岩的稳定性。

3.2 监测点布置位置

在5-4071 巷掘进450m、550m 位置处分别布置两个测点，测点编号为1#、2#，监测5-405 工作面每回采20~30m 期间沿空巷道围岩变形量。在胶带巷掘进700m、800m 位置处分别布置两个测点，测点编号为3#、4#，监测5-4071 巷沿空掘进和5-405工作面回采动压影响下巷道围岩变形量。

3.3 监测结果分析

（1）1#监测点结果

在5-4071 巷掘进450m 布置1#监测点，监测结果如表1 所示。

表1 1#监测点监测结果

根据1#监测点监测结果，得到巷道围岩累积变形量，其结果如图2 所示。

图2 1#监测点巷道围岩变形累积量

（2）2#监测点结果

在5-4071 巷掘进550m 布置2#监测点，监测结果如表2 所示。

表2 2#监测点监测结果

根据2#监测点监测结果，得到巷道围岩累积变形量，其结果如图3 所示。

图3 2#监测点巷道围岩变形累积量

（3）3#监测点结果

在5-4071 巷掘进700m 布置3#监测点，监测结果如表3 所示。

表3 3#监测点监测结果

根据3#监测点监测结果，得到巷道围岩累积变形量，其结果如图4 所示。

图4 3#监测点巷道围岩变形累积量

（4）4#监测点结果

在5-4071 巷掘进800m 布置4#监测点，监测结果如表4 所示。

表4 4#监测点监测结果

根据4#监测点监测结果，得到巷道围岩累积变形量，其结果如图5 所示。

图5 巷道围岩累积变形量

4 围岩变形规律研究

5-4071 巷和5-405 回采工作面有两种情况，分别为沿空掘巷和沿巷推采，由不同监测点监测数据和累积围岩位移图可以得到沿空掘巷巷道围岩变形的规律：

（1）沿巷推采巷道围岩变形规律可以分为3个阶段：

① 超前变化阶段。当工作面回采至超前观测点20 ～70m 位置处，5-4071 巷围岩就已经开始出现蠕变，变形速率慢且变化不明显，巷道两帮围岩要先于顶底板变形。

② 同位变化阶段。当工作面回采至监测点位置时，5-4071 巷围岩变形量大且变形明显，两帮移近量趋近于峰值，顶底板移近量不断增大。

③ 滞后变化阶段。当工作面回采至监测点后40 ～60m 位置时，5-4071 巷顶底板移近量滞后于推进位置，在该区域内变形量达到最大值，两帮移近量开始减小。

（2）根据监测结果和分析可知，5-4071 巷围岩变形量受沿巷推采影响较为明显，且沿巷推采3 阶段围岩变形规律相似。而巷道受沿空掘巷的影响围岩变形量要小于沿巷推采，5-405 工作面在回采至停采线位置之前，巷道仍然受动压的影响，因此，需要对巷道围岩变形量继续监测。巷道掘进后采用锚网索进行支护，需要对巷道锚杆、锚索支护进行受力监测，保证巷道的支护效果，提高巷道的稳定性。

（3）根据1 ～4#监测点监测结果可知，5-4071巷受沿空掘进和沿巷推采共同影响，巷道围岩出现变形破坏。巷道两帮最大变形量为600m，顶底帮围岩变形量比两帮变形量要小一些。因此，在巷道支护过程中，应适当地增加锚杆、锚索的支护强度。采用锚杆、锚索的直径相较于原来巷道应当增大，锚杆由原来的Φ22mm 增加至Φ24mm，锚索由原来的Φ17.8mm 增加至Φ21.6mm。同时为了提高支护效果，巷道支护后采用二次注浆加固，进一步提高巷道的支护强度，保障巷道的安全掘进。

5 结论

（1）以5-4071 巷为研究对象，通过沿空巷道侧向支承压力分布研究，验证了巷道矿压显现的规律，为巷道的实际支护提供依据。

（2）制定了沿空巷道围岩变形监测方案，分别在胶带巷掘进至450m、550m、700m、800m 布置4个测点。对监测结果进行分析，得出巷道围岩变形规律可以分为超前变化阶段、同位变化阶段、滞后变化阶段，围岩最大变形量为600mm。并提出了采用将锚杆、锚索直径增加至Φ24mm、Φ21.6mm 的措施提高支护强度，保证巷道的安全掘进。