采空区下巷道围岩应力场特征及其控制研究.pdf

1032023 年第 9 期贺淼鑫：采空区下巷道围岩应力场特征及其控制研究收稿日期 2023-04-14作者简介 贺淼鑫（1988），男，山西高平人，2015 年毕业于黑龙江科技大学采矿工程专业，本科，采煤工程师，现从事煤矿安全生产管理工作。采空区下巷道围岩应力场特征及其控制研究贺淼鑫（晋能控股装备制造集团有限公司寺河煤矿二号井，山西 晋城 048006）摘 要 针对采空区下巷道变形大，难以控制问题，采用 FLAC 数值模拟方法分析了采空区下部巷道围岩应力场分布规律和变形破坏特征，发现巷道两帮变形量较小，顶板下沉量较大，顶板接近上覆煤层处破坏明显，提出了强化顶板锚杆控制的方案。矿压监测分析结果表明：盘区巷道在回采期间顶板下沉量最大为 53 mm，底鼓量最大为202 mm，两帮移近量最大为255 mm，锚杆受力整体变化比较小，巷道整体保持了良好的稳定性。关键词 采空区；巷道；支护中图分类号 TD353 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.09.033Study on the Characteristics and Control of the Stress Field in the Roadway Surrounding Rock Under the GoafHe Miaoxin(Jinneng Holding Equipment Manufacturing Group Co.,Ltd.Sihe Coal Mine No.2 Well,Shanxi Jincheng 048006)Abstract:Aiming at the problem of large deformation and difficulty in controlling the roadway under the goaf,FLAC numerical simulation method is used to analyze the distribution law of stress field and deformation and failure characteristics of the lower roadway surrounding rock in the goaf.It is found that the deformation amount of the two sides of the roadway is small,the subsidence amount of the roof is large,and the failure of the roof near the overlying coal seam is obvious.A scheme to strengthen the control of roof anchor rods is proposed.The analysis results of mine pressure monitoring indicate that during the excavation of the panel roadway,the maximum subsidence amount of the roof is 53 mm,the maximum bottom heave amount is 202 mm,and the maximum displacement amount of the two sides is 255 mm.The overall change in anchor rod force is relatively small,and the overall stability of the roadway is maintained.Key words:goaf;roadway;support 贺淼鑫：采空区下巷道围岩应力场特征及其控制研究近距离煤层开采时煤层间巷道掘进与工作面开采相互影响和干扰较为严重。在实际生产中，上覆采空区内煤柱处产生的应力升高导致其下方的巷道围岩垂直应力显著增大，巷道稳定性难以控制。尽管采空区下方巷道围岩应力较小，但上覆层的开采导致下方煤层巷道顶板松软破碎，巷道难以支护。在生产中，下层煤中的巷道布置欠佳，或者支护强度低，会导致巷道围岩变形收敛和塑性破坏区较大，造成巷道失稳，这是近距离煤层下行开采时制约生产安全的突出问题1-2。因此，近距离煤层开采时，下层煤矿压分布规律及巷道稳定性控制的研究具有重要的理论及现实意义。1 概况1.1 生产和地质条件寺河二号井主采煤层有 3 层，从上至下依次为3 号、9 号和 15 号煤层。其中 3 号和 9 号煤层部分盘区已回采，而 15 号煤层还未开采，目前正在布置 15 号煤层工作面，15 号煤布置的第一个工作面上部的 3 号和 9 号煤已开采完毕。因此，15 号煤层必然受到上部采动压力和集中应力的干扰和影响，该煤层中巷道掘进中必然会产生大的变形，给围岩控制带来挑战。位于太原组一段顶部的 15 号煤层，埋深为1042023 年第 9 期329419 m 之间，上距 9 号煤层 30 m 左右。煤层平均厚度 1.5 m 左右，平均倾角为 5。煤层直接顶为石灰岩，厚 9.8 m，为稳定岩层，顶板类型为类，下部偶见 0.10.3 m 左右泥岩；煤层的直接底为灰色铝质泥岩，厚 4.0 m。1.2 地质力学测试分析15 号煤地质力学参数测试结果表明，最大水平主应力、最小水平主应力和垂直主应力分别为 12.5 MPa、6.55 MPa 和 7.72 MPa，最大水平主应力方向和主导方向分别为 N62.90W 及 NEE；15 号煤层顶板岩层强度平均值为 112.10 MPa，局部含有平均强度 48.90 MPa 的砂质泥岩，横向裂隙发育。测试数据表明，15 号煤层顶板岩层除局部存在较大裂隙的特征外，整体较完整；15 号煤两帮煤体裂隙发育，较破碎，该处煤体强度平均值为 12.75 MPa。2 采空区下部巷道围岩应力场分布特性研究2.1 模型建立及模拟方案设计基于寺河煤矿二号井三盘区 15 号地质条件，采用数值模拟方法进行分析，研究该矿 9 号煤遗留煤柱下 15 号煤盘区大巷合理布置位置。此处采用 Flac 数值模拟，模型宽和高分别为185 m 和 70 m。模型上部为应力边界，底部为固定边界，用均匀分布的应力载荷取代上覆岩层重力，模型四周施加水平位移约束。对地应力测试结果和模型厚度加以综合考虑后，确定施加的初始垂直应力值为 7.0 MPa，水平应力值为 9.0 MPa，计算模型选用摩尔-库伦模型。从上到下各岩层岩性如图 1、图 2。图 1 数值模型（m）图 2 模拟方案（m）2.2 模拟结果分析工作面（9 号煤 7 盘区）回采后垂直应力分布如图 3。图 3 9 号煤 7 盘区工作面回采后垂直应力分布云图从图 3 中可以看出，7 盘区工作面回采后，盘区大巷煤柱两侧支撑压力峰值处会形成“应力核区”，应力峰值和应力集中系数分别为 17.4 MPa 和2.49。应力集中区在煤柱内呈现向底板传递的倾向，应力梯度区会在一定范围内形成。3 盘区巷道围岩失稳破坏机理及控制方案3.1 盘区巷道围岩失稳破坏机理在巷道开挖后，煤柱下方的巷道围岩支承压力与上层煤柱所传递支承压力互相叠加，致使巷道围岩中垂直应力剧增。实践表明，位于该位置处的巷道围岩中垂直应力增高范围主要集中在巷道两帮及两肩处3-5，需加强两帮和巷道肩部的支护强度，避免巷道出现局部破坏，进而诱发整体失稳破坏。由于上层煤采空区的卸压作用，采空区下方巷道两帮与两肩处所受支承压力相对较小，同时巷道开挖之后会在其顶板形成一定程度的水平应力升高趋势，由此巷道变形表现为两帮变形量微小，顶板下沉量显著的特点。上方煤层回采后，导致下层煤巷道围岩松软破碎，围岩裂隙显著增加，以顶板接近上覆煤层处最为显著。因此，增加巷道顶板支护强度，对于确保巷道围岩稳定性，降低巷道顶板围岩极限平衡区宽度极为重要。3.2 盘区巷道支护设计方案153101 盘区大巷设计断面为矩形，宽和高分别为 5.0 m 和 2.8 m，断面积 14 m2。盘区巷道顶板采用型号 MSGLW400、直径为 20 mm 的锚杆，每排布置 4 根长度为 2.0 m 的锚杆，间、排距均为1400 mm，采用两支树脂锚固剂锚固，型号分别为MSK2335 和 MSZ2360，配套使用高强锚杆螺母、尼龙垫圈、调心球垫及拱型高强度托板；锚杆间采用圆钢焊接的钢筋梯梁连锁，宽度为 100 mm，长度为 4.3 m，钢筋梯梁直径为 12 mm。顶板锚索为 17 钢绞线，直径为 15.24 mm，长度为 5.3 m，抗拉强度为 1860 MPa，延伸率 3.5%。锚索排距4200 mm，每排2根，采用MSK2335型（一支）和 MSZ2360 型两支树脂锚固剂锚固，预紧力1052023 年第 9 期贺淼鑫：采空区下巷道围岩应力场特征及其控制研究大于 150 kN，配套高强度托盘、锁具及调心球垫。巷 道 两 帮 采 用 直 径 为 20 mm、长 2.0 m 的MSGLW400 型锚杆，每排设置 3 根锚杆，间距1100 mm，排距 1400 mm，一支 MSZ2360 锚固剂锚固，锚固力不低于 85 kN，扭矩不低于 200 Nm；锚杆间采用钢筋梯梁连锁，梯梁由直径为 12 mm 圆钢焊接，规格为 2300 mm1000 mm；护帮经纬网规格为 1.2 m4.6 m，用双股 16#绑丝孔孔相连，其网孔规格为 50 mm50 mm。巷帮底角锚索规格和结构同顶板锚索。锚索排距 4200 mm，间距 1800 mm，每排 2 根，与水平面夹角20。盘区大巷153101支护设计断面图如图4。图 4 盘区大巷 153101 支护设计断面图（mm）4 矿压监测分析4.1 锚杆受力监测盘区大巷 153101 巷道掘进及工作面开采时，现场监测的锚杆受力随距迎头距离的变化规律数据曲线如图 5。由图 5 可以看出，巷道测站随远离迎头锚杆受力不断增大。由顶板锚杆受力变化曲线可知，顶板锚杆受力变化集中在距迎头 87191 m，增幅为3035 kN，之后锚杆受力基本恒定不变。从图中还可看出，左帮锚杆受力变化大多大于顶板锚杆受力变化，巷道掘进完成后，初期一段时间锚杆受力仍有明显变化，增幅为 4050 kN。综合分析可知，盘区 153101 巷在掘进期间锚杆受力变化较小，表明巷道受到的扰动较小。4.2 锚索受力监测在 153101 巷掘进及工作面开采期间，锚索受力监测结果如图 6。由图 6 可以看出，153101 巷测站随远离迎头锚索受力不断增大，顶板锚索受力变化集中在距迎头30 m 范围，增幅为 3040 kN，之后锚索受力基本无变化。巷帮底角锚索受力变化大于顶板锚索受力变化，巷道掘进完成后初期一段时间锚索受力仍有明显变化，增幅为 4050 kN。（a）顶板锚杆受力变化曲线（b）左帮锚杆受力变化曲线图 5 153101 巷锚杆受力变化曲线（a）顶板锚索受力变化曲线（b）巷帮底角锚索受力变化曲线图 6 153101 巷锚索杆受力变化曲线4.3 巷道位移监测在工作面回采期间对 153101 巷道表面位移变化进行监测，得到巷道表面位移变化曲线，如图 7。1062023 年第 9 期采用传统施工工艺时，施工周期为 42 d，而 203 运输顺槽采用双开口施工工艺后施工周期为 33.5 d，施工周期缩短了 8.5 d。2）减少了设备安装数量。与传统施工工艺相比，采用双向开口施工工艺后机头硐室段在施工过程中只需安装一部带式输送机，减少了巷道掘进期间设备安装数量，同时局部通风机安装在采区运输巷内，通风距离短、通风阻力小。3）降低支护成本费用。230 运输顺槽机头硐室段长度按 50 m 计算，采用传统施工工艺时需对机头硐室段顶板进行挑顶并重新支护，每米布置 6 套锚杆1根W型钢带和1根锚索，支护成本费用为0.13万元，50 m 长度总支护费用为 6.5 万元；每班配备4人进行挑顶施工，挑顶周期为12 d，人工费用为2.3万元。而采用双向开口施工工艺后，避免了硐室段顶板挑顶施工工艺，减少支护、劳动费用 9.8 万元。4）保证了施工安全。采用传统施工工艺时需对机头硐室段顶板进行二次挑顶施工，受爆破震动影响挑顶区顶板围岩破碎严重，在二次挑顶过程中（上接第 102 页）图 7 153101 巷道 100 m 处表面位移变化曲线从图 7 可以看出，巷道服务期间最大顶底板移近量为 255 mm，占初始巷道高度的比例为 5.1%，而其中顶板轻微下沉量仅为 53 mm。据此可知，顶底板移近量多为底板鼓起所致，最大为 202 mm。从图 7 中可以发现，巷道两帮变形值最大为 255 mm，为巷道初始宽度的 5.1%。5 结论1）对巷道布置区域的地应力大小及方向进行测试，确定了应力场分布规律；并对巷道围岩进行了强度测试，为盘区巷道支护设计提供了基础参数。2）采用数值模拟方法分析了采空区下部巷道围岩应力分布规律，分析了盘区巷道围岩上采空区下部和煤柱下部的围岩破坏特征，提出了采空区下盘区大巷支护方案。3）矿压监测数据表明，盘区巷道回采期间顶板下沉量最大为 53 mm，底鼓量最大为 202 mm，两帮移近量最大为 255 mm。锚杆锚索初始施加高预紧力后，锚杆受力有一定的变化，但是整体变化比较小，说明锚杆支护有效地控制了巷道围岩的变形，围岩保持整体完整。【参考文献】1 王广辉.河东煤矿近距离煤层群开采巷道合理布置方式 J.煤矿开采，2009，14（01）：37-38+802 李荣坤.采空区下回采巷道布置与矿压显现规律分析 J.煤炭工程，2011（08）：48-493 白庆升，屠世浩，王方田，等.浅埋近距离房式煤柱下采动应力演化及致灾机制 J.岩石力学与工程学报，2012，31（S2）：3772-3778.4曹日红，曹平，张科，等.考虑应变软化的巷道交叉段稳定性分析 J.岩土力学，2013，34（06）：1760-17655郭钇君.深部巷道围岩拉剪破裂机制及其演化规律研究 D.邯郸：河北工程大学，2021.很容易出现顶板垮落事故，而采用分层施工工艺后实现了大断面巷道一次性成型，避免了巷道二次挑顶，提高巷道施工安全系数。5 结语203 运输顺槽机头硐室段施工断面大、施工条件复杂，通过对其施工工艺进行合理优化，缩短了大断面巷道施工周期，降低了支护及劳动成本费用，解决了复杂条件下大断面巷道施工难度大、效率低等技术难题，取得了显著应用成效。【参考文献】1 李向阳.对开口巷道施工工艺的改进研究与应用J.石化技术，2020（08）：177+192.2 李帅帅.大断面巷道快速开口施工工艺优化 J.山东煤炭科技，2022（02）：79-81.3 李小龙.西二下盘区 101 运输顺槽系统巷优化设计研究与应用 J.煤矿现代化，2018（02）：14-16.4 许亚洲.复杂条件下超高巷道开口掘进技术研究与应用 J.江西煤炭科技，2017（03）：95-96.5 张留新.综合机械化掘进巷道开口抹角的成型控制研究 J.能源与节能，2017（03）：22-23.