苗曉偉,張志強

(潞寧煤業(yè)有限責任公司,山西 忻州 036700)

隨著煤炭開采深度的增加, 出現了許多與淺部開采不同的新問題和新特點, 深埋巷道圍巖與中淺部巷道不同點在于巷道開挖后圍巖普遍處于不穩(wěn)定的破裂狀態(tài)[1];謝福星等[2]認為煤柱寬度、開采擾動程度對圍巖穩(wěn)定性影響較顯著,采高的影響程度相對較小;劉新杰[3]通過模擬表明采場上覆巖層存在多種結構形式,隨工作面回采而處于不斷運動轉化之中;張農等[4]提出了包括錨桿支護承載性能強化、巷道破裂圍巖體強度強化和圍巖承載結構強化的巷道圍巖強化控制原理;陳鑫源等[5]針對巖體流變特性對巷道圍巖控制的影響,認為錨桿長期有效的預應力是關系到巷道保持穩(wěn)定的關鍵之一;谷拴成[6]通過研究被錨巷道圍巖穩(wěn)定性,建立了被錨圓巷彈塑性力學模型,推導出圍巖應力場與位移場解析解以及圍巖塑性區(qū)半徑表達式;張通等[7]通過工程實踐及理論分析得出不同覆巖條件下工作面初次周期來壓步距與覆巖硬度系數呈正指數相關,與采高、埋深及工作面長度呈概率分布相關;趙維生等[8]研究發(fā)現當巷道軸向與水平主應力方向不平行時,可將更靠近巷道軸向的水平主應力視為軸向應力,將另外一個水平主應力視為徑向應力;焦建康[9]認為巷道沖擊破壞的主要原因為高原巖應力和采動應力疊加形成的高靜載應力集中、堅硬頂板脆斷形成的動載擾動、巷道圍巖"外碎內脆"的結構特性以及錨桿支護參數不合理導致的巷道圍巖承載能力低;盧國志[10]依據傳遞巖梁理論體系研究發(fā)現影響巖梁周期來壓步距的因素除巖梁周期斷裂外,還與工作面支護強度、推進速度等工程參數相關;楊軍輝[11]研究發(fā)現當錨桿安裝越密集時,壓應力疊加所形成承壓拱的最小厚度越大,壓力拱承載能力越強;其他學者[12-17]也做了大量的研究.本文在已有研究成果基礎上,以山西潞安集團潞寧煤業(yè)22116運輸巷為研究對象,監(jiān)測錨桿軸力數據以及巷道的變形狀況,研究回采對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響,研究成果對該礦安全開采具有實際指導意義,更為類似礦山安全生產提供借鑒作用.

1 工程概述

潞寧煤業(yè)公司22116工作面位于侏羅系大同組上部的2#煤,工作面區(qū)域地層整體為一南東向傾斜的單斜構造,煤層走向N48°W,傾向S138°E,地面標高1 466～1 610 m,煤層標高1 037～1 057 m,工作面區(qū)域內煤層結構簡單,中部夾不連續(xù)的薄層炭質泥巖夾矸,煤層厚度0.8～5.0 m,平均厚度3.5 m.其上覆巖層由下往上依次主要為2.6 m細粒砂巖(以長石為主)、3.0 m砂質泥巖、5 m粉砂巖,總厚16 m;基本頂由下往上依次主要為2.6 m中粒砂巖、23.0 m細粒砂巖(以石英為主),總厚26 m(煤巖層綜合柱狀圖如圖1所示).監(jiān)測期間22116工作面處于回采階段,平均日推進度8 m左右,致使運巷圍巖控制困難,22116運巷支護方式為錨、網、梁、索聯(lián)合支護,運巷頂板及兩幫均采用桿體為Φ22 mm左旋無縱筋螺紋鋼筋制作,規(guī)格為Φ22-M24-2 400 mm,并采用樹脂加強錨固方式.為了解圍巖變形及錨桿(索)受力情況,有必要對22116運巷進行相關數據監(jiān)測,為圍巖控制提供數據支持.

圖1 22116工作面煤巖層綜合柱狀圖

2 回采巷道超前支護長度確定

2.1 監(jiān)測方案

回采巷道超前支護是為了確保工作面回采期間巷道圍巖穩(wěn)定,而超前支護長度受工作面回采時超前支承壓力影響范圍控制.為了準確獲知回采巷道的超前支承壓力影響范圍,相關的應力監(jiān)測手段必不可少,而巷道錨桿、錨索軸力變化直接體現了超前支承壓力的影響,為此,在22116工作面前方運巷內設置監(jiān)測斷面,采用錨桿測力計于2019年4月27日開始進行巷道錨桿軸力監(jiān)測.監(jiān)測斷面位于運巷距工作面180(斷面1)，230(斷面2)，280 m(斷面3)處,每個監(jiān)測斷面分別監(jiān)測頂板、兩幫的各一根錨桿(或錨索),圖2～圖4分別對應斷面1、斷面2和斷面3錨桿(錨索)的軸力隨工作面推進的變化關系.

圖2 斷面1錨桿(索)軸力隨工作面推進變化

圖3 斷面2錨桿軸力隨工作面推進變化

圖4 斷面3錨桿軸力隨工作面推進變化

2.2 結果分析

由圖2可以看出,當工作面推進至與斷面1距離為150(2019年5月4日)，98.8(2019年5月15日)，58.6(2019年5月20日)，49.6(2019年5月21日)m時,錨桿軸力變化幅度較大,具有明顯動力擾動特征;由圖3可以看出,當工作面推進至與斷面2距離為202.9(2019年5月3日)，200(2019年5月4日)，150.2(2019年5月14日)，50.4(2019年5月29日)，44.0(2019年5月30日)m時,錨桿軸力變化幅度較大;由圖4可以看出,當工作面推進至與斷面3距離為252.9(2019年5月3日下幫)，158.6(2019年5月20日頂板)m時,錨桿軸力變化幅度較大,上幫錨桿軸力在工作面與斷面3距離為142.6 m時達到最大值146 kN,且曲線形態(tài)類似采動支承壓力分布曲線.

綜上所述,2019年5月3—4日、5月14—15日、5月20日這3個時段內監(jiān)測數據存在突變現象,說明在這3個時段內圍巖應力發(fā)生了突變,對比工作面周期來壓發(fā)生時間,時間同步性較強,較好地體現了煤層開采后上覆巖層斷裂對巷道錨桿、錨索等支護結構的影響,工作面上下兩巷支護結構受工作面周期來壓影響明顯.同時,由錨桿監(jiān)測數據可知,工作面平均周期來壓步距約為50 m,工作面超前支承壓力明顯影響范圍為60 m,在此范圍內必須對上下兩巷加強支護.

3 巷道表面位移與錨桿受力耦合分析

3.1 監(jiān)測設備與監(jiān)測方案

由上述分析可知錨桿(索)軸力受到工作面推進的影響較為明顯,為進一步了解錨桿軸力變化與圍巖變形的耦合關系,于2019年4月22日—5月20日采用YJDM3.6礦用激光巷道斷面收斂測試系統(tǒng)對22116運輸巷進行監(jiān)測,共布置3個監(jiān)測斷面(分別位于距工作面180, 230,280 m處),每個斷面上、下兩幫及頂板各安裝一組錨桿及錨桿測力計.監(jiān)測斷面1,斷面2和斷面3(位置如圖5所示).錨桿測力計安裝圖及斷面收斂測試系統(tǒng)掃面示意圖如圖6和圖7所示.

圖5 監(jiān)測斷面布置平面

圖6 錨桿測力計安裝

圖7 斷面收斂測試系統(tǒng)掃面

3.2 監(jiān)測結果分析

圖8和圖9所示為斷面1監(jiān)測結果,結果顯示:隨著工作面的推進,頂板、上幫、下幫錨桿受力都在逐漸增加,但頂板在初期快速增加后趨于平緩,而下幫則增加緩慢,頂板及上幫表面位移較大.綜合分析可知,頂板錨桿軸力在2019年4月22日—5月7日增幅較大,隨后趨于平緩;上幫錨桿軸力在2019年4月22日—5月20日隨上幫變形量增大而增大;下幫錨桿軸力在2019年4月22日—5月20日隨下幫變形量增大而增大,但增幅較小.錨桿受力與圍巖變形體現了較好的一致性,說明錨桿錨固效果明顯.至監(jiān)測結束時,斷面1與工作面距離在140 m左右,此時整個巷道變形量不大,受工作面回采影響較小.

圖8 斷面1錨桿監(jiān)測數據變化

圖9 斷面1巷道變形掃描

圖10和圖11所示為斷面2監(jiān)測結果,結果顯示:隨著工作面的推進,頂板、上幫、下幫錨桿受力都在逐漸增加,上幫錨桿在初期變化不大,而后急劇,并且頂板、上幫、下幫錨桿在推進70 m左右后(距工作面190 m內),軸力增加趨勢一致.巷道上幫、下幫表面移進量較大,且發(fā)生擠幫,尤其是巷道上幫錨桿受力也突然增大;頂板表面移進量較小,錨桿受力也較小,錨桿受力與變形之間協(xié)同性較好.在巷道監(jiān)測結束時,斷面2與工作面距離在100 m左右,此時整個巷道變形量相對較大,受工作面回采影響較明顯.

圖11 斷面2巷道變形掃描

圖12和圖13所示為斷面3監(jiān)測結果,結果顯示:隨著工作面的推進,頂板、上幫、下幫錨桿受力都在逐漸增加,上幫錨桿受力變化幅值較大,頂板錨桿受力在推進140 m后發(fā)生下降,說明此時頂板錨桿承載能力降低,發(fā)生部分錨固損傷.結合斷面掃描圖13，巷道上幫表面移進量較大,擠幫嚴重,在圍巖壓力作用下錨桿受力增加幅度較大;頂板表面移進量較大,且變形不均勻性明顯,在2019年5月18日—5月20日間頂板中部變形加大,但錨桿受力卻突然減小,進一步證明是由于上部圍巖壓力作用使錨桿錨固端破壞;下幫移進量與錨桿受力均較小,且體現較好的一致性,說明錨桿錨固效果較好.在巷道監(jiān)測結束時,斷面2與工作面距離在40 m左右,此時整個巷道變形量較大,受工作面回采影響十分明顯,綜合說明整個巷道圍巖仍然錨固良好,但頂板需加強支護彌補已經出現的錨固損傷而帶來的錨固強度降低,同樣表明超前支護長度應不少于60 m.

圖12 斷面3錨桿監(jiān)測數據變化

圖13 斷面3巷道變形掃描

4 結論

1)錨桿軸力受工作面推進影響較為明顯,距工作面越近,軸力變化越明顯;錨桿軸力突變與周期來壓同步性較強,上覆巖層斷裂對巷道錨桿、錨索等支護結構影響明顯.

2)錨桿軸力變化與圍巖變形有較好的同步性,距工作面越近,巷道變形量越大,錨桿軸力越大;當錨桿軸力與圍巖變形同步性較差時,說明錨桿發(fā)生錨固損傷,此時需采取加強支護措施,提高支護強度,確保圍巖穩(wěn)定.

3)上下兩巷圍巖穩(wěn)定性受工作面周期來壓影響明顯,且工作面超前支承壓力影響范圍在60 m以上,超前支護長度應不少于60 m.