迎回采工作面沿空掘巷圍巖穩(wěn)定控制技術(shù)研究

王鵬飛

（西山煤電馬蘭礦，山西 古交 030200）

沿空掘巷是一種窄煤柱護(hù)巷的技術(shù)，不僅能夠提高礦井回采率，也有利于巷道圍巖穩(wěn)定，逐漸成為現(xiàn)階段礦井的主要發(fā)展方向。西山煤電馬蘭礦由于生產(chǎn)接替緊張及為了提高煤炭產(chǎn)出率，放棄原有的留大煤柱護(hù)巷方案，試采用迎回采面沿空掘巷的方法。巷道經(jīng)歷鄰近工作面回采時(shí)，巷道周邊圍巖出現(xiàn)不同程度的應(yīng)力集中，巷道圍巖變形程度加劇。因此，通過(guò)分析研究迎回采工作面沿空掘巷圍巖穩(wěn)定控制技術(shù)，提高沿空巷道的承載能力和穩(wěn)定性十分必要。

1 工作面概況

西山煤電馬蘭礦12504工作面位于2#層?xùn)|盤(pán)區(qū)中部，北為12502工作面（已采），西為三條盤(pán)區(qū)巷，南、東均為實(shí)煤區(qū)。工作面走向長(zhǎng)度633.5m，傾向長(zhǎng)度164m，埋深450～500m。煤層厚度約2.8～3.29m，平均厚度3.15m，煤層賦存穩(wěn)定，煤層傾角為1～3°，硬度0.8～1.2f。為了避免資源的浪費(fèi)，減小護(hù)巷煤柱的大小，12504工作面沿著已回采完畢的12502工作面掘進(jìn)膠帶運(yùn)輸巷。

2 沿空掘巷失穩(wěn)機(jī)理

2.1 模擬方案

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分別模擬12504工作面膠帶運(yùn)輸巷在工作面前方30m和鄰近工作面后方30m范圍垂直應(yīng)力和圍巖變形量，得到沿空巷道圍巖失穩(wěn)機(jī)理及變形規(guī)律。根據(jù)12504工作面巖層性質(zhì)設(shè)定模型參數(shù)，建立200m×200m×146m模型，模型上方施加3.8 MPa應(yīng)力荷載。材料參數(shù)如表1所示。

2.2 垂直應(yīng)力模擬結(jié)果

通過(guò)模擬得到12504工作面膠帶運(yùn)輸巷在工作面后方30m范圍內(nèi)的垂直應(yīng)力圖，如圖1所示。

表1 模型各巖層力學(xué)參數(shù)

圖1 12504工作面垂直應(yīng)力圖

由圖1可知，12504工作面推采至前方30m位置時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)應(yīng)力集中，沿空巷道周邊形成應(yīng)力降低區(qū)，此時(shí)，所留設(shè)煤柱上作用的最大垂直應(yīng)力為6.5MPa。當(dāng)工作面推采至鄰近工作面后方30m位置時(shí)，受到鄰近工作面動(dòng)壓的影響，沿空巷道開(kāi)始出現(xiàn)不同程度的應(yīng)力集中。其中沿空巷道頂?shù)装宕怪睉?yīng)力大小基本相同，但實(shí)體煤區(qū)域應(yīng)力集中最嚴(yán)重，最大垂直應(yīng)力達(dá)到10.7MPa，而所留設(shè)煤柱上作用的最大垂直應(yīng)力為8.4MPa。

2.3 巷道圍巖變形量模擬結(jié)果

建立數(shù)值模擬模型時(shí)，在巷道頂?shù)讕秃蛢蓭头謩e設(shè)置沿空巷道圍巖變形量監(jiān)測(cè)點(diǎn)，來(lái)分析鄰近工作面回采動(dòng)壓對(duì)沿空巷道掘進(jìn)影響。監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖2所示，其中“-”“+””表示工作面前后方。

圖2 沿空巷道圍巖變形量

由圖2可知，沿空巷道在工作面前方掘進(jìn)時(shí)，巷道圍巖變形量小，變形速率慢；當(dāng)沿空巷道處于工作面后方時(shí)，圍巖變形量急劇增加，沿空巷道在工作面后方0～75m范圍巷道圍巖變形量占總變形量的70%左右；當(dāng)沿空巷道掘進(jìn)至工作面后方90m后，巷道圍巖變形量趨于穩(wěn)定。

2.4 失穩(wěn)機(jī)理

沿空巷道掘進(jìn)至臨近回采工作面時(shí)，受動(dòng)壓的影響，巷道圍巖會(huì)出現(xiàn)不同程度的應(yīng)力集中。雖然工作面實(shí)體煤區(qū)域的應(yīng)力比煤柱區(qū)域大得多，但沿空掘巷所留設(shè)煤柱尺寸小，高集中應(yīng)力會(huì)使煤柱由彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)化為塑性狀態(tài)，加之工作面回采后直接頂回轉(zhuǎn)下沉，上覆巖層載荷通過(guò)頂板作用在沿空側(cè)窄煤柱，會(huì)進(jìn)一步加劇沿空側(cè)窄煤柱失穩(wěn)。因此，要想保證沿空巷道的穩(wěn)定性，既需要加強(qiáng)沿空巷道支護(hù)強(qiáng)度，又需要提高窄煤柱的承載能力。

3 沿空巷道圍巖穩(wěn)定控制技術(shù)

3.1 加強(qiáng)沿空巷道支護(hù)

12504工作面膠帶運(yùn)輸巷采用錨網(wǎng)索+梯子梁的支護(hù)形式。錨桿選用Φ22×2400mm左旋螺紋鋼錨桿，采用端頭錨固形式，鋪設(shè)50×50mm金屬網(wǎng)；錨索規(guī)格選用Φ17.8×8300mm鋼絞線錨索，斷面間排距為1300×1600mm，選用300×300×16mm金屬托板。梯子梁選用Φ14圓鋼加工而成。巷道具體支護(hù)參數(shù)如表2所示。

表2 12504工作面膠帶支護(hù)參數(shù)

3.2 提高煤柱承載能力

（1）合理留設(shè)煤柱尺寸

沿空掘巷煤柱留設(shè)尺寸不易過(guò)窄，否則會(huì)導(dǎo)致煤柱應(yīng)力集中，失去承載能力，煤柱發(fā)生變形破壞，影響巷道錨桿支護(hù)，降低巷道的穩(wěn)定性。因此，留設(shè)煤柱尺寸最小值應(yīng)當(dāng)保證沿空巷道的穩(wěn)定性，為：

式中：

X1-巷道錨桿支護(hù)有效長(zhǎng)度，取1.8m；

X2-煤柱穩(wěn)定性安全儲(chǔ)備

將數(shù)據(jù)帶入公式，可以得到：

由上可知，沿空巷道保證穩(wěn)定性最小尺寸為4.8m。

（2）注漿加固煤柱強(qiáng)度

注漿加固煤柱時(shí)注漿液會(huì)擴(kuò)散到煤層內(nèi)交錯(cuò)裂隙中，一定時(shí)間后，注漿液會(huì)在煤柱裂隙中凝結(jié)，能夠?qū)⒘严兑约捌扑槊后w有效粘結(jié)一起，使煤柱固結(jié)形成一個(gè)整體。當(dāng)高集中應(yīng)力作用在煤柱時(shí)，固結(jié)材料具有良好的韌性和粘結(jié)強(qiáng)度，能夠提高煤柱的承載能力。煤柱加固注漿液采用高水速凝材料，其具有凝結(jié)性好、前期強(qiáng)度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)巷道12504工作面兩巷圍巖的性質(zhì)，采用“2-1”五花形布置方式，每循環(huán)布置3個(gè)注漿孔，注漿參數(shù)如表3所示。

表3 沿空側(cè)煤柱注漿加固參數(shù)

3.3 頂板加固

根據(jù)模擬結(jié)果可知，沿空巷道在工作面后方0～75m范圍巷道圍巖變形量大。為了減小巷道支護(hù)難度，在12504工作面膠帶運(yùn)輸巷滯后工作面30m時(shí)停掘，采用單體支護(hù)加π梁鋼加固頂板，提高巷道頂幫強(qiáng)度，避免出現(xiàn)頂板下沉導(dǎo)致兩幫出現(xiàn)大面積片幫現(xiàn)象。隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，當(dāng)巷道滯后工作面90m后復(fù)掘。

4 結(jié)論

（1）采用FLAC3D分別模擬12504工作面膠帶運(yùn)輸巷在工作面前方30m和鄰近工作面后方30m范圍垂直應(yīng)力和圍巖變形量，得到沿空巷道在工作面后方0～75m范圍巷道圍巖變形量占總變形量大，當(dāng)沿空巷道掘進(jìn)至工作面后方90m后，巷道圍巖變形量趨于穩(wěn)定。

（2）采用錨網(wǎng)索+梯子梁加強(qiáng)沿空巷道支護(hù)強(qiáng)度，留設(shè)合理煤柱尺寸4.8m，高水速凝材料注漿加固煤柱，沿空巷道滯后工作面30m時(shí)停掘，采用單體支護(hù)加π梁鋼加固頂板的措施來(lái)提高沿空巷道穩(wěn)定性，巷道圍巖變形量和變形速率有了明顯的降低，巷道圍巖變形控制效果良好。

（3）在12504工作面膠帶巷布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)巷道圍巖變形量，對(duì)巷道加固效果進(jìn)行檢驗(yàn)。最大頂板下沉量為170mm左右，最大兩幫變形量為350mm左右，巷道圍巖變形控制效果良好。