綜放工作面沿空留巷圍巖控制技術研究

劉利民

摘 要：西坡煤業為了解決5106工作面沿空留巷圍巖控制難題，以5106綜放工作面沿空留巷為研究背景，分析了該工作面沿空留巷頂底板破壞特征，分析得到了綜放沿空巷道圍巖破壞特征及變形規律，并采用FLAC 3D數值模擬的方法對對5106工作面沿空留巷支護技術方案進行分析，現場實踐取得良好效果，巷道圍巖的變形量得到有效控制，保證礦井的安全生產。

關鍵詞：沿空留巷;圍巖穩定性;數值模擬;桁架錨桿支護

0 前言

綜采放頂煤開采的過程中，采用沿空留巷方法往往因為放頂煤工藝以及掘進采動等影響使得巷道變形嚴重。針對沿空留巷方法巷道變形大的現狀，礦井往往采用加強支護的方法提高圍巖的穩定性，但是因為沿空留巷在服務期間長期處于高壓力狀態，使得圍巖控制效果不理想。本文針對西坡煤業5106綜放工作面開采過程中的問題進行了分析研究，通過數值模擬得到了沿空留巷應力集中區域，經過現場加強支護后，有效的控制的圍巖的變形。

1 礦井概況及巷道圍巖變形規律分析

西坡煤業位于山西省呂梁市柳林縣西北部，距柳林縣城28km，生產規模為120萬t/a，5106綜放工作面地表位于西坡村西南部。地表出露地層以Q2+3、N2、P2S2為主。蓋山厚度375～485m，平均425m。工作面軌道巷開口于北二左翼泄水巷措施巷，皮帶巷開口于北二左翼皮帶下山，工作面西北側間隔46m、35m、60m分別為北二2#煤左翼泄水巷、北二2#煤左翼泄水巷Ⅱ段5102采空區;工作面軌道巷0～521m、皮帶巷56～586m上部1.9～6.2m為5103采空區。皮帶巷東南側間隔21m為5203工作面（待采），其方位暫無工程。為最大限度的開采煤炭，采用無煤柱的沿空留巷方法進行開采，在實際的開采過程中，通過柔模混凝土對原巷道進行支護，在綜采放頂煤開采的過程中，隨著工作面的推進以及放頂煤開采的進行，巷道圍巖受力復雜造成變形。因為沿空留巷巷道在整個服務周期內受到初次開挖擾動和采動影響使得巷道的變形破壞形式特殊。當巷道上覆巖層運動強烈時，沿空留巷巷道變形復雜，通過傳統支護方式很難維持巷道的穩定。

西坡煤業為更好的掌握5106綜放工作面沿空留巷巷道圍巖的變形特征，對該工作面沿空留巷巷道進行數值模擬研究，模型的建立以巷道實際尺寸為準，模型長為320m，寬為150m，煤層以及頂底板厚度共35m，煤層埋深450m，基本頂受到的初始應力值為12MPa，定義巷道支護的寬度為1.5m。

為準確掌握了工作面掘進期間巷道圍巖變形規律和圍巖變形量，采用FLAC 3D數值模擬軟件對巷道塑性變形進行模擬，通過模擬得出不同階段進風巷道塑性分布云圖如圖1所示。

圖Ⅰ為進風巷掘進期間巷道塑性分布云圖，從圖中可以看出，在巷道開挖的過程中，巷道明顯受到采動影響，因為媒體以及巖層的各向異性使得巷道表面受到不同程度的塑性破壞，因為進風巷道頂板處還有2.2m的頂煤，使得巷道的塑性破壞明顯，在巷道頂角處出現3m的塑性破壞區，巷道兩幫出現2.3m的塑性破壞區。

圖Ⅱ為工作面推進50m 處巷道塑性分布云圖，從圖中可以看出，當工作面回采距離達到50m時，5106工作面兩幫的塑性破壞區域并沒有進一步的擴展，與工作面回采的過程中巷道兩幫的塑性破壞區域一樣都為6.3m，而巷道頂板的塑性破壞區域擴大明顯，塑性破壞區域一直擴展到頂板圍巖的深處。綜合分析得知，5106工作面在巷道掘進時期以及工作面回采區間都受到了較大的影響，明顯的應力集中現象使得巷道變形嚴重，嚴重影響生產的進行，必須進行改進支護才能滿足安全生產的需要。

2 沿空留巷圍巖控制關鍵技術

西坡煤業為有效控制5106綜放工作面巷道圍巖變形，結合礦井的實際地質條件，采用錨桿錨索聯合支護技術對巷道圍巖進行控制。聯合支護期間支護未發生脫錨現象，但是巷道圍巖變形控制效果不佳，上覆巖石裂隙發育明顯，頂板破碎嚴重，影響礦井的安全生產。通過FLAC 3D數值模擬得到原支護方案下巷道變形嚴重，難以保證采掘的繼續進行，為此，采用加強支護措施來提高巷道圍巖的穩定性和承載能力。

由于5106工作面進風巷道圍巖變形程度，需采取加強支護方案對工作面進風巷進行加固。鑒于巷道頂板及兩幫破碎程度較大，固采取注漿加固工藝，利用注漿工藝對頂板中破碎的區域進行注漿，使得破碎巖體、漿液以及完整性巖塊固結起來，待漿液固結后頂板的整體性得到提高，完整的頂板減少了冒頂等事故的發生且具有一定的承載能力;對于煤幫而言，煤幫兩側為含有眾多結構面的半堅硬煤體，眾多的結構面使得煤體在受力狀態時破碎現象嚴重。在工作面回采的過程中，進風巷道在長期應力集中中承載能力逐漸降低，煤體的舊裂隙在應力作用下不斷擴展發育，同時新裂隙增加明顯，新舊裂紋不斷交替發育，形成肉眼可見的大裂隙，對兩幫進行注漿加固，漿液會順著裂隙面注入巖體，在漿液的粘結作用下，裂隙逐漸被填滿，在漿液的粘結作用下，破碎巖體逐漸固結起來，在高壓注漿的作用下，使得漿液可以充滿整個破碎煤幫，間接的改變了巖體的抗壓強度以及內聚力，因此巖層的抗剪切能力提高。注漿工藝使得原有的破碎巖體摩擦力轉化為摩擦膠結雙重作用，從而間接的改變了巖層的力學性能，提高了巖體的承載能力。注漿工藝完成后，對頂板以及兩幫分別進行桁架錨桿加強支護，桁架錨桿支護原理如圖2所示。

3 沿空留巷效果分析

西坡煤業5106工作面采用沿空留巷圍巖控制技術后，通過對巷道頂板及兩幫加強支護后，現場實測，5106工作面進風巷道在1m、3m、5m和6m位置處，巷道頂板的位移量分別為247mm、208mm、132mm和79mm;進風巷道在1m、3m、5m和6m位置處，煤柱兩幫的位移量分別為321mm、181mm、105mm和79mm。從位移變化圖和監測數據來看，在巷道1m處圍巖變形量大，說明此處的巖層松散，易變形;在進風巷6m處變形最小，說明此處的巖層完整，抗壓能力強、抗剪強度高。由此可知，采用加強支護技術后有效控制巷道圍巖變形，使巷道有足夠的承載能力，保證礦井的安全生產。

4 結論

西坡煤業以5106綜放工作面沿空留巷圍巖控制為研究對象，通過對沿空留巷頂板變形破斷規律的研究，分析得出采用加強支護和注漿加固工藝，有效解決巷道圍巖變形嚴重的難題。現場應用表明，巷道頂板最大移近量為247mm，煤柱兩幫最大移近量為321mm，受回采擾動影響巷道仍能保持良好的穩定性，留巷效果較好，達到了安全生產的目的。