动压巷道围岩变形规律及控制技术

蔡福洋

(同煤集团， 山西 大同 037000)

1 前言

随着煤炭资源的逐渐枯竭和矿井机械化开采水平的提高，相邻工作面回采完后采空区还未完全稳定，就进行下工作面回采巷道掘进[1-4]。在该条件下巷道掘进受采空区动压影响围岩变形量大，常用的锚网索支护已经不能保证巷道的稳定性[5-6]。本文以同忻煤矿动压巷道为工程背景，对动压巷道围岩变形规律进行分析，根据围岩变形特征研究合理的支护形式，提高动压巷道稳定性，避免出现巷道围岩大变形而导致的安全事故。

2 工作面概况

同忻煤矿8309工作面位于一水平三盘区，工作面走向长度为2 770m，倾斜长度为218m。工作面主采煤层为3- 5号煤层，煤层平均厚度15.5m，平均倾角4°。工作面临近已回采完毕的8307工作面，工作面之间留设宽度38m煤柱。5309巷道为8309工作面回风巷，该巷道受本回采工作面超前支承压力及邻近8307工作面采空区侧向压力影响，巷道围岩出现较大的变形破坏。根据矿井变形量监测可知，顶板下沉量为0.4～0.8m、底鼓量为0.2～0.7m、两帮移近量为0.3～0.7m。

3 动压巷道围岩变形规律数值模拟

3.1 应力变化规律

采用FLAC3D数值模拟8307工作面采动对5309巷围岩变形的影响，建立200m×200m×100m模型。根据5309巷地质条件，确定模型各材料参数，力学参数见表1。垂直方向施加应力5.8MPa，水平测压系数取值为0.8。

表1 模型各岩层力学参数

沿着5309巷走向布置测点，得到巷道垂直应力变化如图1所示。

-为巷道在工作面前方；+为巷道在工作面后方图1 5309巷垂直应力分布图

由图1可知，-100～-30m区域，5309巷垂直应力稳定在11MPa左右，此时巷道处于稳定状态，基本不受8307工作面回采动压影响。当5309巷端头距8307工作面-30m位置时，巷道垂直应力突然升高，巷道开始受8307工作面动压影响。-30m～80m区域，5309巷受垂直应力呈现先增大后减小的区域，此区域巷道受动压影响严重，围岩变形量大。其中，60m处为5309巷垂直应力峰值位置。80m后，巷道应力逐渐趋于平稳。

将5309巷工作面距8307工作面-30m和60m两处位置应力进行分析比较，得到巷道应力变化规律。其中，-30m和60m两位置应力分布如图2所示。

图2 -30m与60m位置垂直应力分布云图

由图2可知，5309巷在8307工作面后方60m处垂直应力比在前方30m处更大，由此可知，巷道应力集中主要发生在工作面后方。同时，5309巷受相邻8307工作面采动影响，出现应力集中现象，顶底板应力呈“拱形”分布。

3.2 围岩变形规律

采用FLAC3D模式时在5309巷顶底板和两帮设置监测点，监测相邻8307工作面动压对5309巷围岩变形量影响，得到巷道围岩变形量如图3所示。

图3 5309巷围岩变形量

由图3可知，5309巷围岩变形量从-30m处开始增加，表明该位置巷道受相邻8307工作面采动影响，-30～15m区域巷道围岩变形量基本增加了1倍。5309巷处于8307工作面后方时，巷道围岩变形量更大。0～60m区域5309巷道围岩变形量大、变形速率快，占总变形量70%～80%，对5309巷围岩总变形取决定性作用。60～80m区域，巷道围岩变形量逐渐放缓，80m后趋于稳定状态。

4 动压巷道围岩控制技术

根据数值模拟结果可知，5309巷围岩变形破坏主要集中在-30～80m区域，该区域巷道受动压影响围岩变形量大，应当加强支护，提高巷道稳定性。其余区域采用一般的支护技术措施即可。

4.1 -30～80m区域

1)锚网索支护

-30～80m区域5309巷围岩变形量大，采用锚网索对巷道加强支护，提高巷道稳定性，巷道顶板和两帮均采用高强度大延伸率锚杆，锚网索支护参数见表2。

表2 -30～80m区域锚网索支护参数

2)卸压槽卸压

5309巷开挖卸压槽可以使得底板的应力向卸压槽深度转移，从而避免巷道底板形成应力集中区。沿着工作面两巷走向开挖宽0.5m，深1.5m的卸压槽，巷道掘进完毕后，需要采用矸石等及时对卸压槽进行回填，避免影响行人、运输货物的安全。

4.2 一般区域

-30～80m是5309巷围岩变形量最大区域，占总变形量的70%～80%，而5309巷其他区域受动压影响小，虽然巷道围岩也出现了一定的变形，但变形量小。一般区域巷道同样采用锚网索支护，保证巷道稳定，锚网索参数见表3。

表3 一般区域锚网索支护参数

5309巷锚杆之间采用φ14mm的圆钢焊制的钢筋梯子梁连接而成，进一步提高了巷道顶板的支护强度。

为了提高5309巷掘进稳定性，在巷道超前8307工作面30m处暂停掘进，待工作面超前巷道80m后继续恢复掘进，以此减小巷道围岩变形量。

5 支护效果检验

5309巷道采用锚网索支护、开挖卸压槽卸压后，通过设置监测点监测巷道围岩变形量，验证巷道支护效果。5309巷围岩变形量如图4所示。

图4 5309巷围岩变形量

由图4可知，5309巷道采用锚网索支护，巷道围岩变形量呈现先增加后逐渐稳定的趋势。0～20d巷道顶板和两帮变形速率快、变形量大，顶板最大下沉量为46mm，最大移动速率为2.6mm/d；两帮最大移近量围77mm，最大移动速率为4.5mm/d。20d后巷道围岩变形放缓并逐渐趋于稳定。巷道最大顶板下沉量为52mm，两帮最大移近量为93mm。由此可知，支护取得了良好效果，有效减小了5309巷围岩变形量。

6 结论

(1)以5309动压巷道为研究对象，采用FLAC3D模拟8307工作面采动对5309巷围岩变形的影响。通过分析巷道垂直应力和围岩变形，得到5309巷围岩变形破坏主要集中在超前工作面30m和滞后工作面80m范围内，占总变形量70%～80%。

(2)根据5309巷围岩变形规律，提出分段采取支护措施。在超前工作面30m和滞后工作面80m范围，巷道采用锚网索支护、开挖卸压槽卸压；其他一般区域，巷道采用锚网索支护，并分别设计了支护参数。

(3)通过在5309巷设置监测点，监测巷道围岩变形量验证支护效果。根据监测结果可知，巷道最大顶板下沉量为52mm，两帮最大移近量为93mm，支护取得了良好效果。