大阳煤矿3405工作面沿空留巷围岩变形机理研究.pdf

752023 年第 8 期安 雷：大阳煤矿 3405 工作面沿空留巷围岩变形机理研究收稿日期 2023-01-12作者简介 安雷（1988），男，山西高平人，2015 年毕业于东北大学采矿工程专业，本科，工程师，现从事采掘管理技术工作，研究方向：煤炭开采、矿山压力及沿空留巷技术。大阳煤矿 3405 工作面沿空留巷围岩变形机理研究安 雷（山西兰花科技创业股份有限公司大阳煤矿分公司，山西 晋城 048000）摘 要 以大阳煤矿 3405 工作面沿空留巷为工程背景，采用数值模拟的方法分析了巷道在沿空留巷过程中的应力演化规律及塑性区分布情况，揭示了沿空留巷回采巷道的变形机理，针对性地提出了长锚索+双层金属网+钢带为核心的补强支护方案，并进行了矿压监测。结果显示：采用补强支护后，巷道最大变形量低于250 mm，锚杆索受力均匀，巷道安全性好。关键词 巷道支护；围岩控制；沿空留巷；数值模拟中图分类号 TD353 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.08.025Research on the Deformation Mechanism of Surrounding Rock in the 3405 Working Face Retaining Roadway Along Goaf of Dayang Coal MineAn Lei(Shanxi Lanhua Sci-tech Venture Co.,Ltd.,Dayang Coal Mine Branch,Shanxi Jincheng 048000)Abstract:Taking the 3405 working face retaining roadway along goaf of Dayang Coal Mine as the engineering background,numerical simulation method is used to analyze the stress evolution law and plastic zone distribution of the roadway during the process of retaining roadway along goaf.The deformation mechanism of the retaining roadway along goaf mining roadway is revealed,a reinforcement support scheme with long anchor cables+double layer metal mesh+steel strip as the core is targeted proposed,and mine pressure monitoring is also carried out.The results show that after using reinforcement support,the maximum deformation amount of the roadway is less than 250 mm,the force on the anchor rod cable is uniform,and the safety of the roadway is good.Key words:roadway support;surrounding rock control;retain roadway along goaf;numerical simulation安 雷：大阳煤矿 3405 工作面沿空留巷围岩变形机理研究随着我国能源需求的日益增大，煤炭资源开采强度逐步增大并呈现日趋匮乏的状态1-3。为了提高煤炭资源采出率，沿空留巷技术受到越来越多矿井的青睐4-5。沿空留巷效果受地质条件影响较大，不同矿井需要具体问题具体分析6-7。本文以大阳煤矿3405 工作面沿空留巷为工程背景，分析回采巷道在留巷过程中的应力应变演化规律，并针对性提出巷道支护方案，保证巷道回采过程中安全性。1 工程概况大阳煤矿现开采3号煤，煤层厚度为5.16.4 m，平均 5.7 m。为了最大限度采出优质煤，拟采用沿空留巷技术，并在 3405 工作面轨道顺槽（宽 高=5.8 m3.2 m）进行试验。工作面布置情况如图1。根据现场钻孔柱状结果，直接顶为 4.0 m 的泥岩，直接底为7.8 m的粉砂岩，整体上顶板岩性较松软，底板岩性较好。图 1 工作面布置情况（m）在未留巷之前，顶板采用 20 mm2200 mm762023 年第 8 期锚杆，间排距 900 mm900 mm；顶锚索 21.8 mm8300 mm，间排距 1800 mm900 mm，靠近工作面侧两根锚索采用长度 2400 mm 的钢带连接；两帮采用 20 mm2200 mm 锚杆，间排距 850 mm900 mm。2 沿空留巷变形机理研究2.1 模型建立基于现场情况，采用 FLAC3D建立数值模型，模型长、宽、高为185.4 m200 m47.4 m，巷道宽、高为 5.8 m3.2 m，巷旁充填体宽度为 1.4 m，共计464 100 个单元，483 184 个节点。固定模型底板和四周位移，在顶板施加 10 MPa 垂直应力。对采空区采用双屈服模型，充填体采用应变软化模型，其他岩层采用摩尔-库伦模型。2.2 巷道围岩应力分布分别对工作面前方 40 m 至工作面后方 90 m 范围进行模拟分析，留巷过程中巷道围岩应力分布情况如图 2。（a）工作面前方 40 m （b）工作面前方 20 m （c）工作面前方 5 m（d）工作面后方 0 m （e）工作面后方 10 m （f）工作面后方 30 m （g）工作面后方 50 m （h）工作面后方 70 m （i）工作面后方 90 m图 2 留巷过程中巷道围岩应力分布云图3405 工作面轨道顺槽在留巷过程中应力分布情况可分为 4 个阶段：1）工作面前方 20 m 以上。该部分受到采动影响较小，3405 轨道顺槽在工作面侧与实体煤侧的应力分布情况相似。在工作面前方 40 m 位置处，3405 轨道顺槽两侧应力峰值均为 15.8 MPa，应力集中系数 1.58。2）工作面前方 020 m。该部分受到超前支承压力影响，围岩应力整体偏高，并且呈现工作面侧垂直应力明显大于实体煤侧的非对称分布情况。在工作面前方 7 m 处，应力达到峰值点 22.1 MPa，应力集中系数 2.21。3）工作面后方 070 m。随着混凝土墙体的不断砌筑，充填体与采空区岩体之间逐步趋于稳定。实体煤侧应力峰值在工作面后方 10 m 处为 16.6 MPa，工作面后方 30 m 处为 18.8 MPa，工作面后方 50 m 处为 21.6 MPa，70 m 后 24.9 MPa，并且应力峰值由表面向深部转移。4）工作面后方70 m以上。该部分已经基本稳定，应力分布云图形状与应力值基本不再变化。2.3 巷道围岩塑性区分布留巷过程中巷道围岩塑性区分布情况如图 3。（a）工作面前方 40 m （b）工作面前方 20 m （c）工作面前方 5 m（d）工作面后方 0 m （e）工作面后方 10 m （f）工作面后方 30 m（g）工作面后方 50 m （h）工作面后方 70 m （i）工作面后方 90 m图 3 不同位置处围岩塑性区分布3405 工作面轨道顺槽在留巷过程中塑性区分布情况具有以下特点：1）工作面前方 20 m 以上。3405 轨道顺槽两侧破坏深度为 2 m，顶板破坏深度约为 3 m，破坏形式为剪切破坏。2）工作面前方 020 m。受到采动应力影响，3405 轨道顺槽两侧呈现非对称分布。实体煤侧破坏深度依旧为 2.0 m，工作面侧破坏深度约为 2.7 m，增加了 35%。3）工作面后方070 m。顶板破坏面积逐渐增大，在工作面后方 30 m 处，巷道右上角尖角处发生剪切破坏并将顶板和帮部相连通；在工作面后方 50 m处，直接顶泥岩与细砂岩交界处出现离层现象，破坏范围从交界面向下延伸并与 3405 轨道顺槽顶板上方破坏区沟通，导致破坏深度大幅增加。4）工作面后方 70 m 以上。顶板破坏深度基本稳定，实煤体帮受到顶板强烈剪切作用影响，破坏深度由 2.8 m 增加至 3.5 m。2.4 巷道围岩变形特征分别在 3405 工作面轨道顺槽顶板、充填体帮、实煤体帮和底板中部布置测点，监测巷道变形情况如图 4。772023 年第 8 期安 雷：大阳煤矿 3405 工作面沿空留巷围岩变形机理研究 图 4 巷道变形情况由图 4 可知，巷道四周变形情况表现为：顶板充填体帮实煤体帮底板。在工作面后方，随着逐步远离工作面，巷道变形量逐步增加但变形速率逐步递减，并在工作面后方 100 m 处达到最大，顶板、充填体帮、实煤体帮、底板的最大变形量分别为 350 mm、257 mm、181 mm、78 mm。在工作面前方，工作面超前扰动影响范围约 30 m，前方30 m 以上段围岩变形基本不再变化。3 巷道支护方案采用沿空留巷技术后，3405 工作面轨道顺槽将受到 2 次采动应力影响，对巷道的变形量要求也更高。因此，需要对 3405 工作面轨道顺槽进行补强支护，以满足 3405 与 3406 工作面的安全回采。补强支护设计如图 5 所示，具体的补强要求如下。1）顶板每排补打 2 根锚索，补打的锚索长度比原方案的长 2000 mm，规格为 21.8 mm10 300 mm，间距 1800 mm，排距不变。2）顶板在原有的金属网基础上再铺设一层金属网，实现顶板双层金属网支护。3）在顶板靠近工作面侧补打一根长度 2400 mm 的钢带，钢带两端各焊接一根废弃锚杆，用来增强稳定性。4）巷旁采用柔模混凝土墙进行沿空砌筑，柔模墙宽度为 1.4 m，由柔模布、混凝土、对拉锚杆等材料组成。混凝土采用 C40 规格，柔模带规格为 4 m3.6 m1.5 m，对拉锚杆尺寸为 22 mm1550 mm，材质为 500 号的高强螺纹钢。为了监测巷道支护效果，在留巷期间对 3405工作面轨道顺槽安装锚杆测力计、锚索测力计、顶板离层仪等仪器，进行矿压监测。监测结果显示：3405 工作面回采后，工作面后方 200 m 处围岩基本稳定，稳定后顶板最大下沉量控制在250 mm以下，充填体帮与实体煤帮变形量稳定在 150 mm 以下，锚杆受力 90100 kN，锚索受力 220260 kN，能够满足 3405 工作面以及 3406 工作面的安全生产。图 5 巷道补强支护设计（mm）4 结论以大阳煤矿 3405 工作面为工程背景，结合FLAC3D软件研究了 3405 工作面运输顺槽在沿空留巷过程中的变形破坏特征，主要结论如下：1）工作面超前支承应力影响范围约 20 m，应力峰值点 22.1 MPa，应力集中系数 2.21，位于工作面前方 7 m 处。2）巷道以剪切破坏为主，表面浅部拉剪混合破坏，工作面后方稳定后实体煤帮破坏深度 3.5 m。3）针对沿空留巷提出了长锚索+双层金属网+钢带为主的补强支护方案，稳定后锚杆索受力富余量大，巷道变形量较小，能够满足下工作面回采要求。【参考文献】1 陈定超，王襄禹，赵祥岍，等.构造应力影响下大断面巷道围岩灾变机理及稳定控制研究 J.矿业安全与环保，2022，49（03）：15-20.2 侯朝炯，王襄禹，柏建彪，等.深部巷道围岩稳定性控制的基本理论与技术研究 J.中国矿业大学学报，2021，50（01）：1-12.3 于洋，柏建彪，张树娟，等.双翼采动大巷群围岩灾变机理与修复加固体系研究 J.采矿与安全工程学报，2020，37（06）：1133-1141.4 纪鹏伟.8501 工作面沿空留巷技术研究及应用 J.山东煤炭科技，2022，40（11）：65-67+70.5 赵海涛.深部开采 13203 综采工作面巷旁充填留巷技术研究 J.山东煤炭科技，2022，40（09）：39-41.6 杨俊彩，王文，张广杰.柔模砼墙沿空留巷围岩变形规律及控制技术研究 J.煤炭科学技术，2022，50（S1）：89-99.7 冯国瑞，任玉琦，王朋飞，等.厚煤层综放沿空留巷巷旁充填体应力分布及变形特征研究 J.采矿与安全工程学报，2019，36（06）：1109-1119.