頂板破壞區下巷道綜合控制技術研究

陳曉鵬

（霍州煤電集團汾河焦煤股份有限公司回坡底煤礦 ，山西 洪洞 031600）

煤炭資源整合礦井工作面生產中，回采巷道掘進時可能會遇到上分層破壞區，這些破壞區與巷道的位置并不確定，巷道掘進過程中應盡量避免穿過這些區域[1-5]。在探測不明或必須要過的時候，采取相應的巷道支護方式是快速掘進通過破壞區的有效途徑[6-8]。本文即在頂板破壞區狀態下，研究巷道掘進通過破壞區的綜合控制技術，達到保證工作面正常開采的要求。

1 工程概況

回坡底煤礦11-105工作面位于礦井556水平，左側為東一采區軌道巷，北部為10-107工作面（未采），南部為11-103工作面（已采），西部為磊上村保安煤柱，上部為上分層10-105工作面采空區。工作面平均煤厚3.3m，平均傾角3°，煤層結構復雜，中下部夾1～2層厚0.3m左右的穩定夾矸，夾矸巖性為炭質泥巖。工作面直接頂為泥巖、平均厚度3.2m，老頂為粉砂巖、平均厚度3.0m，直接底為泥巖、平均厚度6.5m，礦井地質構造情況較少，煤巖層物理力學參數見表1。

11-105工作面巷道掘進時會遇到兩種不同的頂板狀態，分別是上方殘留煤柱與破碎采空區，殘留煤柱會在煤層中形成應力集中并向底板衰減傳遞，巷道處在集中應力影響下；當上方為破碎采空區域時，采空區內垮落巖石較多，圍巖結構較松散，承載能力較差。兩種結構對巷道掘進均有不同程度的影響，需要進行進一步研究。

表1 煤巖物理力學參數表

2 不同頂板條件下巷道狀態分析

針對11-105掘進巷道不同頂板狀況，采用FLAC3D建立數值進行模擬研究，模型尺寸：長×寬×高=60m×60m×60m，模型兩側為滑動支承，底部為固定支承，上部巖層作用以均布載荷的形式體現，圍巖本構關系采用Mohr-Coulumb模型，煤巖物理力學參數按表1選取。巷道支護形式：頂板采用錨網梁、錨索聯合進行支護，頂錨桿“六·六”布置，間排距為880mm×900mm；錨桿選用Φ20×2000mm的左旋螺紋鋼錨桿；錨索“二·二”布置，錨索排距1.8m；幫部采用錨網梁進行支護，錨桿“四·四”布置，間排距為800mm×900mm，錨桿選用Φ20×2000mm的左旋螺紋鋼錨桿。

巷道頂板實體煤下與破碎采空區下的巷道圍巖應力及位移數值模擬結果如圖1～圖4所示。從數值模擬結果中可以得知，當巷道上方為實體煤時，巷道兩側最大垂直應力為6.2MPa，最大應力位置為錨桿末端，結合巷道圍巖位移分布情況可知，此時錨桿與圍巖充分作用形成錨固體，大大增加了巷道圍巖的承載能力，巷道頂板垂直位移最大值為16mm、兩幫移近量為30mm，圍巖斷面保持在一個穩定的范圍內，圍巖控制效果顯著；當巷道上方為采空區時，此時巷道支護未采用錨索支護，在上方采空區邊緣形成應力集中區，垂直應力最大值達7.2MPa，較大的應力導致巷道與采空區之間的頂板出現破碎狀態，因此需要采取措施針對上方采空區進行處理以達到實體煤狀態下的應力狀態，為巷道加強支護創造有利條件。

圖1 實體煤柱下巷道應力分布規律

圖2 實體煤柱下位移分布規律

圖3 采空區下應力分布規律

圖4 采空區下位移分布規律

3 破碎頂板下巷道圍巖控制技術

3.1 破碎采空區充填控制技術

根據上節分析，頂板破碎采空區狀態下，單單采取錨桿索支護是不能夠達到巷道控制要求的。存在破碎采空區的頂板整體性較差，裂隙發育較復雜，存在冒頂和沖擊的風險，可以采用高泡水泥充填破碎采空區，增加對上方老頂的支撐力增強頂板結構完整性。高泡水泥材料充填流程如圖5所示。根據巷道頂板上方破碎帶的位置及范圍，對充填區域進行劃分，將每20m范圍為一個充填單元進行鉆孔作業，鉆孔排間距為5m，鉆孔深度1～2m（貫通破碎帶），通過鉆孔向破碎區域注入配制的高泡水泥，按照充填推進方向依次填充，直到將破碎區域充滿，并將注漿孔封閉。

圖5 高泡水泥充填流程圖

3.2 控制效果分析

在完成充填工作后，還需對巷道圍巖變形量進行監測，防止巷道在充填后出現大范圍的沉降。采用精度較高的紅外測距儀與十字布點法進行監測，監測精度要求估讀到0.5mm，布置在充填區域的測站共5個，監測周期為兩個月，監測曲線如圖6所示。由監測曲線可知，巷道圍巖變形在前20d的時候變化速率一直較大，20～45d之間變化速率減緩，充填支護完成45d之后，巷道無論頂底板還是兩幫整體變形均逐漸平緩，巷道整體呈現出較穩定的狀態。整體而言，巷道頂底板變形幅度比兩幫變形要小，頂底板變形峰值為160mm、兩幫變形的絕對峰值為240mm，說明此時頂板充填效果好，巷道整體變形滿足設備及生產的需求，巷道頂部圍巖呈現一定程度的臺階變化，變化速率隨著時間的增加越來越小，說明充填效果越來越好，下沉最大值最終穩定在9mm，變化范圍可控，充填控制效果較好。

圖6 圍巖監測曲線

4 結 論

通過分析不同頂板條件下巷道狀態可知，破碎采空區下巷道頂板完整性差，裂隙較發育，設計采用錨桿索與高泡水泥充填的綜合控制方法進行巷道控制，現場實踐表明巷道頂底板變形量較穩定、兩幫移近量起伏不明顯、頂板離層量保持在可控范圍內，表明采用該種支護方案的巷道控制效果好，能夠滿足礦井工作面生產工作要求。