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小煤柱沿空掘巷受采动影响围岩变形规律分析

2020-11-23 160 上传者：管理员

摘要：为减少煤炭资源浪费,色连二矿12404工作面回风巷首次采用小煤柱沿空掘巷布置,通过数值模拟以及回采期间巷道围岩变形量和围岩应力监测,判断受工作面采动影响时巷道围岩变形规律以及超前动压影响范围,同时与12403工作面回风巷受采动影响变形情况进行技术比较。验证了小煤柱沿空掘巷及支护参数在色连二矿可行性及适用性,并且为同等地质条件下小煤柱沿空掘巷的使用提供理论依据及技术支撑。

关键词：
围岩控制
沿空掘巷
煤炭资源
矿压观测
采动影响
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为减少煤炭资源浪费，小煤柱开采作为我国煤矿采煤方法重大改革技术[1,2,3,4,5]，在我国各大煤矿开采中得到广泛应用[8,9,10,11,12,13,14,15]，色连二矿12404工作面回风巷首次采用小煤柱沿空掘巷布置，通过数值模拟以及回采期间巷道围岩变形量和围岩应力监测，判断受工作面采动影响时巷道围岩变形规律以及超前动压影响范围，同时与12403工作面回风巷受采动影响变形情况进行技术比较。以期为同等地质条件下小煤柱沿空掘巷技术提供理论依据及技术支撑。

1、工程概况

色连二矿12404工作面位于矿井一水平、二盘区，工作面标高为+1440～+1475m，地面标高+1071.6～+1102.7m。工作面长度为275m，推进长度为1960m，面积为539000m2，平均煤厚3.70m，工作面采用单一倾斜长壁后退式一次采全高综合机械化采煤法，采用全部垮落法管理顶板。工作面采用“一面两巷”布置，运输巷为实体巷道，承担着运煤、运料、进风和行人任务;转载机、破碎机、设备列车、带式输送机等布置在运输巷。回风巷采用沿空掘巷，与12403工作面采空区留有12m煤柱，承担回风、运料和行人任务。

顶底板岩性:该面直接顶为砂质泥岩及4-1上煤层，灰色，裂隙发育，含植物化石，平均厚6.81m;老顶为细砂岩，灰白色，石英、长石为主，泥质胶结，平均厚9.2m;直接底为砂质泥岩，灰色，裂隙发育，含植物化石，平均厚3.5m。

地质构造情况:12404工作面4-1煤层为近水平煤层，地质条件较为简单。煤(岩)层产状:倾向240°～263°，倾角0°～2°，平均1°。工作面内及附近预计发育4条正断层，落差1.2～2.2m，对施工有一定影响。

2、数值模拟

2.1 数值模型建立

根据12404工作面地质资料，相邻12403工作面已回采，12404回风巷为沿空巷道，建立长×高为270m×80m的计算模型。模型的左右及下边界均为位移固约束边界，上边界为应力边界，按上覆岩层厚度施加均布荷载，施加垂直应力8MPa，材料破坏遵循Mohr-Coulomb强度准则。

模拟巷道为12404回风巷沿空巷道，巷道断面为5.6m×3.5m，模拟12m煤柱宽度下支护方案，具体方案:顶板锚索布置在顶板钢带锚杆孔中按“四·三”布置，中间锚索规格:，肩窝锚索规格:;顶板锚杆按“三·四”布置，顶板锚杆规格为;两帮各布置5根锚杆，巷帮锚杆规格为;排距1000mm。

2.2 数值模拟计算结果分析

12m煤柱宽度时12404回风巷围岩的垂直应力、垂直位移、水平位移和塑性区分布如图1—图4所示，12m煤柱宽度时12404回风巷围岩位移量见表1。

表112404回风巷围岩位移量

由垂直应力云图可以看出，12m煤柱宽度下12404回风巷周边围岩应力分布情况，煤柱内垂直应力集中程度大于实体帮。煤柱内垂直应力峰值为25.4MPa，应力峰值位置距巷道煤柱边缘为7.5m。

图1围岩垂直应力云图

图2围岩水平位移云图

图3围岩垂直位移云图

由围岩垂直位移和水平位移云图及表1可以看出，12m煤柱宽度下12404回风巷总体变形量较小，满足后期回采要求。

图4围岩塑性区分布图

巷道开挖对周边围岩产生扰动，导致围岩变形，破坏等，在围岩中会形成一定范围的塑性区分布。12404回风巷巷道围岩塑性区分布图可以看出，12m煤柱宽度下巷道未出现拉破坏点，表明留设12m煤柱宽度对控制巷道稳定更为有利。

3、巷道支护方式

3.1 巷道掘进期间支护方式

掘巷期间12404回风巷顶板采用4.8m长的W型钢带，10#菱形金属网和3根螺纹钢锚杆支护，顶板锚杆间排距1760mm×800mm;顶板锚索使用钢绞线，采用“三·三”布置，即每排3根锚杆与3根锚索分隔布置;巷帮采用H型梯子梁，10#菱形金属网和5根螺纹钢锚杆支护，巷帮锚杆间排距750mm×900mm。

在掘进期间内，12404工作面回风巷顶底板移近量为15～350mm，两帮移近量为5～80mm，顶板浅部离层最大值达40mm以上，深部离层最大值达60mm以上，顶板锚索载荷增加值一般为20～90kN，顶板锚杆载荷增加值一般为15～70kN，巷道帮部锚杆载荷增加值一般为10～40kN。在巷道掘进期间，局部地点顶板条件较差，并出现底鼓情况，后期已安排队伍对其进行加固及卧底。

3.2 工作面回采期间回风巷端头超前加固方式

回风巷采用ZT36400/22/45超前支架支护。一共四组超前支架，左右部分相对巷中对称布置，超前支护距离28m，第四组支架底座距工作面煤壁不大于3m。同时在超前支架前方20m范围内使用单体液压支柱配合铰接顶梁靠巷道中心线各1m处施工两排单体挑棚。

4、工作面回采期间矿压观测

4.1 观测站布置及观测方法

为了监测12404辅运巷受工作面采动影响时，巷道围岩的矿压显现规律及巷道加固工程的支护效果，观测内容应围绕巷道受采动影响时煤体应力、顶板围岩的破坏状况及巷道围岩表面位移开展，监测的核心是12404工作面回风巷超前工作面不同位置巷道变形量及压力情况。

1)巷道围岩表面位移采用“十字”布点法设置，在回风巷退尺10～100m范围内，每隔10m布置一组测点(分别为1#—10#测点)，从退尺100～300m每隔20m布置一组十字观测点(分别为11#—20#测点)，顶板测点布置在顶板中部锚杆头上，底板铅垂布置在底板设置的铁钉上;两帮测点分别布置在两帮中部锚杆头上。观测时顶底板移近量采用钢卷尺或塔尺测量巷道顶部中部锚杆头到底板铁钉距离;两帮移近量采用钢卷尺或塔尺测量巷道两帮中部锚杆头之间距离。

图5巷道围岩表面位移测点布置方式

2)煤体应力采用GYW25围岩应力传感器观测。GYW25围岩应力传感器由传感器和变送器组成，二者之间用长度5m的MHYV1×4的通信电缆连接，传感器采用应变测量技术，测量的是煤体受采动影响时的附加应力，当煤体受采动附加应力作用产生破坏变形时，这种附加应力将传递到应变体上产生变形，应变计将变形量转换成电压信号，并由变送器转换为RS485通讯信号，围岩应力传感器2h自动记录对应时刻围岩应力数据，围岩应力数据采集采用红外感围岩应力采集器定期采集通过数据录入软件导入电脑。煤体应力观测站设置在距12404工作面切眼590m及630m位置处各安设一块，均安设在煤柱帮钻孔深度3m处。

4.2 矿压观测结果分析

4.2.1 辅助运输巷围岩表面位移观测结果

根据回风巷测点7#(退尺70m)移近量数据分析，巷道变形曲线如图6所示，测点位于工作面超前工作面65.1～23m时，巷道变形呈平缓上升趋势，从超前工作面23～4m，巷道变形量随着工作面推进增加较快，曲线率逐渐增大，在工作面回采初期，由于巷道“端面效应”作用的存在，工作面回采初期对运输巷影响不明显，因此切眼里段巷道围岩变形相对较小，同时该段巷道属于实体巷道，未到12403工作面采空区侧，在动压影响期间内，该区段巷道顶底板累计移近量一般为78～133mm，两帮移近量一般为55～85mm;说明煤体的采动对工作面前方的动明显影响范围在23m左右。

根据回风巷13#点(退尺160m)移近量数据分析，巷道变形曲线如图7所示，测点位于工作面超前工作面155.1～64.6m时，巷道变形呈平缓上升趋势，从超前工作面64.6～6.2m，巷道变形量随着工作面推进增加较快，曲线率逐渐增大，该区段巷道顶底板累计移近量一般为100～250mm，两帮移近量一般为50～165mm;说明煤体的采动对工作面前方的动明显影响范围在64.6m左右。

图6回风巷测点7#巷道变形曲线

图7回风巷测点13#巷道变形曲线

根据回风巷测点17#(退尺240m)移近量数据分析，巷道变形曲线如图8所示，测点位于工作面超前工作面164.4～67.3m时，巷道变形呈平缓上升趋势，从超前工作面67.3～8m，巷道变形量随着工作面推进增加较快，曲线率逐渐增大，该区段巷道顶底板累计移近量一般为280～1140mm，两帮移近量一般为60～330mm;说明煤体的采动对工作面前方的动明显影响范围在67.3m左右。

图8回风巷17#测点巷道变形曲线

根据回风巷测点19#(退尺280m)移近量数据分析，巷道变形曲线如图9所示，测点位于工作面超前工作面126.2～61.7m时，巷道变形呈平缓上升趋势，从超前工作面61.7～7.9m，巷道变形量随着工作面推进增加较快，曲线率逐渐增大，但由于巷道变形量较大，影响超前支架拉移，后期安排巷修队伍进行卧底，导致曲线从距离工作面48m开始巷道高度变形量呈下降趋势，该区段巷道顶底板累计移近量一般为140～490mm，两帮移近量一般为20～570mm;说明煤体的采动对工作面前方的动明显影响范围在61.7m左右。

4.2.2 围岩应力计变化曲线

根据回风巷1#围岩应力计(退尺590m)压力变化数据分析，压力变形曲线如图10所示，压力值随工作面推进逐渐上升，其中观测站位于超前工作面142～77.1m时，压力值呈平缓上升趋势，从超前工作面77.1～0.8m时，压力变化值随工作面推进增加较快，曲线率增大，其峰值位于超前工作面13.82m位置，达到13.82MPa。

图9回风巷测点19#巷道变形曲线

图10回风巷1#围岩应力计压力变化曲线

根据回风巷2#围岩应力计(退尺630m)压力变化数据分析，压力变形曲线如图11所示，压力值随工作面推进逐渐上升，其中观测站位于超前工作面182～67.5m时，压力值呈平缓上升趋势，从超前工作面67.5～1.6m时，压力变化值随工作面推进增加较快，曲线率增大，其峰值位于超前工作面15.2m位置，达到11.42MPa。

图11回风巷测点2#围岩应力计压力变化曲线

5、结论

1)12404工作面回风巷前110m范围属于实体巷道，前110m范围段受采动影响巷道顶底板移近量为0～133mm，两帮移近量为0～85mm，煤体的采动对工作面前方的采动明显影响范围在23m以内;巷道110m之后均为沿空掘巷，巷道掘进前期受12403工作面动压影响，在12404工作面回采期间采动影响巷道顶底板移近量为0～1140mm，平均移近量626mm，两帮移近量为0～570mm，平均移近量为355mm，煤体的采动对工作面前方的采动明显影响范围在67.3m以内。

2)在12403工作面回采期间回风巷(实体巷道)超前动压影响范围为超前工作面18m，巷道顶底板移近量为0～115mm，平均移近量为65mm;两帮移近量为0～150mm，平均移近量为58mm;通过与12403工作面回风巷实体巷道对比，12404工作面回风巷作为沿空掘巷，巷道变形量明显加大，同时超前动压影响范围加大，但考虑到12404工作面回风巷为施工地坪，巷道变形后挖底较为方便，未对回采及工作面安全造成影响，同等地质条件下采用留小煤柱沿空掘巷在经济技术方面较为合理，作为色连二矿首次采用小煤柱沿空掘巷，极大程度减少了资源浪费，并且为后期采用小煤柱沿空掘巷的应用及支护技术提供理论依据。

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