王庄煤矿91采区排水巷围岩稳定性研究

刘大亮，田计宏，刘 旺，黎科龙

(1.潞安环能股份公司 王庄煤矿，山西 长治 046031；2.中国矿业大学，江苏 徐州 221116)

王庄煤矿新井进入91采区，围岩应力高、强度低、完整性差、采动裂隙发育，深部高应力巷道的稳定性控制已经成为影响全矿安全高效生产的关键技术之一[1-3]。91采区排水巷为整个91采区服务，对采区工作面的安装、排水、瓦斯排放等工作具有重要影响。因此，91采区排水巷围岩稳定，对保障91采区综放工作面的安全高效回采具有重要意义[4-7]。

1 工程概况

91采区排水巷东为91-101工作面，西为井田边界，北为实煤体，南为井田边界。巷道平面布置见图1。91采区排水巷设计长度为312 m，巷道均沿煤层底板掘进，排水巷距91-101工作面切眼的距离为80 m。91采区排水巷采用全锚网支护，巷道断面均为5.0 m×3.2 m的矩形断面，巷道断面支护见图2。

图1 91采区排水巷平面布置

2 数值模型的建立

根据工程地质条件，采用UDEC数值模拟软件建立如图3所示的模型，研究91采区排水巷掘进阶段围岩变形规律，分析91-101工作面对91采区排水巷道的影响。模拟采用位移控制边界条件的方法，左右边界的x方向速度为零，固定底部边界，上边界作为自由承载面。

图2 巷道断面支护(mm)

图3 数值计算模型

监测测点布置如图4所示，在巷道顶底板、两帮设置测点，监测巷道顶底板、两帮位移量；在煤柱上设置测点，监测煤柱上应力变化。

图4 监测测点布置示意

3 数值模拟结果分析

3.1 位移变化特征

如图5所示以计算时步为横坐标，巷道顶底板、两帮移近量为纵坐标，绘制时步-位移曲线，分析91采区排水巷在掘进阶段和91-101工作面回采影响阶段巷道围岩位移变化特征。由图5可知：

1) 0～1 980时步为91采区排水巷掘进阶段。在0～250步，顶底板、两帮位移量逐渐增加达到最大；250～1 980步，顶底板、两帮位移量不变化。巷道顶底板移近量为119 mm，两帮最大移近量为30 mm。

2) 1 980～10 000时步为91-101工作面回采阶段。1 980～4 000步，顶底板、两帮位移量逐渐增加达到最大；4 000步后，顶底板、两帮位移量不变化。顶底板最大移近量125 mm，增加了6 mm，两帮最大移近量为45 mm，增加了15 mm。91-101工作面回采时，91采区排水巷受采动影响小。

图5 91采区排水巷时程-位移曲线

3.2 垂直应力分布特征

如图6所示以煤柱宽度为横坐标，煤柱上垂直应力分布为纵坐标绘制曲线，分析91采区排水巷护巷煤柱在掘进阶段和91-101工作面回采影响阶段应力变化特征。由图6可知：

1) 91采区排水巷掘进阶段，距巷帮0～10 m时，煤柱上垂直应力大于原岩应力，煤柱上垂直应力最大值为15 MPa；距巷帮大于10 m时，煤柱上垂直应力11.25 MPa，为原岩应力。

2) 在91-101工作面回采阶段，由于采动影响煤柱上垂直应力增大。煤柱上垂直应力分布为单峰状态，垂直应力最大值为22 MPa，应力集中系数为1.91，煤柱有一定的承载核区。

图6 91采区排水巷护巷煤柱垂直应力变化曲线

3.3 塑性区分布特征

91采区排水巷在掘进阶段和91-101工作面回采影响阶段塑性区如图7所示。由图7可知，91-101工作面回采时排水巷塑性区大小增加幅度小，仍能满足生产要求，无需对巷道进行注浆加固。

图7 7采区排水巷塑性区特征

4 巷道位移量现场观测

在91采区排水巷掘进期间，锚杆支护后开始布置测站，每隔30 m布置1个测站，共布置3个测站。测站采用十字布点法布置表面位移监测断面，观测顶底板和两帮相对移近量和移近速度。

对91采区排水巷掘进期间3个测站表面位移观测数据进行整理，得到巷道移近量与观测天数的关系曲线，如图8所示。由图8可知：2号测站巷道顶底板移近量最大，为120 mm。观测天数在0～30 d内，顶底板移近量增加，最大增加速度为7 mm/d。30天后，顶底板移近量基本不变，移近速度逐渐趋向于0。1号测站巷道两帮移近量最大，为39 mm。观测天数在0～30 d内，两帮移近量增加，最大增加速度为2 mm/d。30天后，两帮移近量基本不变，移近速度逐渐趋向于0。3个测站巷道顶底板移近量、两帮移近量在30 d时达到稳定。3个测站巷道顶底板移近量、两帮移近量变化趋势基本相同，巷道变形量相差小。巷道围岩整体变形量不大，围岩控制效果好。

5 巷道顶板裂隙观测及分析

在91采区排水巷顶板施工窥视钻孔，钻孔直径为32 mm，钻孔深度为9 m，采用钻孔窥视仪，对顶板岩层结构、离层破碎状况进行观测，0～5.6 m范围，岩体完整；5.6～5.7 m处，岩体裂隙横向发育，轻微破碎；5.7～6.2 m范围，岩体完整；6.2～6.6 m范围，岩体裂隙纵向发育，裂缝宽度3 mm；6.6～9.0 m范围，岩体完整。

图8 掘进期间巷道围岩表面位移变化

6 结 语

现场观测可知，91采区排水巷掘进期间顶底板移近量为120 mm，两帮移近量为39 mm，巷道围岩整体变形量不大，围岩控制效果好。采用UDEC数值模拟软件研究了91-101工作面回采对排水巷道的影响，顶底板移近量增加了6 mm，两帮移近量增加了15 mm，91-101工作面回采时，91采区排水巷受采动影响小，无需对巷道采取加固措施。