厚層軟巖頂板預裂充填沿空留巷圍巖變形機理研究

劉郭斌

摘 要：針對厚煤層軟巖頂板條件下沿空留巷較困難的難題，以斜溝礦23103工作面沿空留巷為研究對象，進行厚煤層軟巖頂板沿空留巷圍巖結構分析，得到了沿空巷道“斷頂卸壓+預裂充填巖體”圍巖協調控制結構。結合工作面頂底板特征，提出了厚煤層軟巖頂板沿空留巷圍巖控制方案，該方案有效解決了23103工作面沿空留巷圍巖出現的大變形現象，保證礦井安全生產。

關鍵詞：軟巖頂板;沿空巷道;預裂充填;圍巖控制

1 引言

當前，沿空留巷技術因其采出率高，巷道掘進量少，有效緩解了工作面采掘銜接緊張的生產狀況，得到廣泛應用。為此，諸多學者開展相關研究，唐芙蓉，馬占國等[1]在軟巖巷道變形機理的基礎上提出了軟巖大斷面交叉點雙控錨索（桿）控制技術和軟巖頂板巷道非對稱支護技術，為沿空留巷圍巖控制提供參考。本文以斜溝礦23103工作面沿空留巷為研究對象，研究分析了厚煤層軟巖頂板沿空留巷圍巖結構并提出了相應的圍巖控制方案，現場實踐有效解決了23103工作面沿空留巷出現的變形現狀。

2 工程地質概況

斜溝礦位于山西省興縣北50km處，礦區南北長約2km，東西寬約3-4km，礦井面積約88.6km2礦井設計生產能力15.0Mt/a。主要開采煤層8#、13#煤層，煤質以肥煤、焦煤為主。該礦正在開發南五8#煤層盤區，盤區走向長3200～3560m，傾向長1350m，其首采面為23103工作面，5.40-6.60m，平均厚度5.98m，屬于厚煤層。該工作面煤層埋藏深度為435～500m，煤層直接頂為泥灰巖，厚度為1.75～2.70m，平均2.32m;老頂為砂巖，厚度為3.40～8.16m，平均6.67m;直接底為粉砂質泥巖，厚度為0.7～1.6m，平均0.97m;老底為粉砂巖，厚度為2.88～5.45m，平均3.6m。23103工作面為軟巖頂板，在煤層開采過程中沿空留巷受到持續的采動影響，導致圍巖產生劇烈變形，頂板巖層破碎下沉嚴重，時常發生片幫和底鼓現象，影響礦井的安全生產。

3 厚煤層軟巖頂板沿空留巷圍巖結構分析

3.1 厚煤層軟巖頂板賦存條件

厚煤層軟巖頂板沿空留巷上不存在厚且堅硬的關鍵巖層，因此，在煤層開采過程中將會受到持續的采動影響，造成劇烈的破斷和旋轉下沉，沿空留巷圍巖將會發生急劇的“小結構”應力波動，從而導致圍巖產生劇烈變形，對巷道的穩定性產生較大影響。

沿空留巷采空側頂板關鍵塊體破斷后將會持續旋轉下沉，旋轉下沉時間越長，對巷道的增壓擾動時間也越久，在沿空留巷頂板采空側實施預裂斷頂，切斷采空區頂板與巷道頂板應力的傳遞，加速采空區側塊體的破斷下沉，大大減少沿空留巷頂板的應力傳遞強度和受擾動影響的周期。同時，工作面上覆軟巖頂板將會在自身重力及開采擾動的作用下沿預制頂板裂縫破碎垮落，由于垮落巖體具有碎脹特性，巷旁采空區側將形成充填的矸石墻并與上覆穩定巖層接觸，垮落巖體經過壓實與軟巖頂板、煤壁及上覆穩定巖層共同構成沿空留巷圍巖結構，從而形成沿空巷道“斷頂卸壓+預裂充填巖體”圍巖協調控制結構，如圖1所示。因此，研究厚煤層軟巖頂板預裂充填沿空留巷圍巖結構對巷道系統的穩定性具有重要意義。

3.2 預裂充填垮落巖體充填高度

巖層斷裂破碎后類似于散體，雜亂堆積后體積將會將會膨脹，堆積的高度要大于軟巖頂板原來的厚度。由于巖層都具有一定的碎脹系數，在其自重和上覆巖層的載荷作用將會被壓實，碎脹系數也會隨之減小，巖石的殘余碎脹系數為KP，直接頂巖層垮落的厚度為Σh，垮落壓實后堆積的厚度為KPΣh。破碎巖石與老頂留下的空隙高度為Δ為：

式中：M為煤層采高，KP為巖石的殘余碎脹系數。

當M-Σh（KP-1）=0，即M=Σh（KP-1），此時冒落的直接頂將會充滿采空區且與上覆穩定巖層接觸。因此，充滿采空區所需軟巖基本頂的最小厚度為：

若已知軟巖基本頂殘余碎脹系數KP和煤層采高，即可求得充滿采空區所需軟巖基本頂的最小厚度。

4 沿空留巷圍巖控制方案

斜溝礦結合23103工作面圍巖特點，采用如下沿空留巷圍巖控制方案：

4.1 恒阻錨索加強支護

23103運輸巷采用3排恒阻錨索對沿空留巷進行超前支護，恒阻錨索長8300mm，直徑為21.6mm，孔深8m，鉆孔孔徑32mm。第1列恒阻錨索距離工作面測巷幫650mm，排距為1000mm，第2列和第3列恒阻錨索布置在原有錨索中間隔空位置，排距分別為2000mm和4000mm。

4.2 擋桿支護

當工作面推過后，在工作面后方及時按照“一梁三柱”的方式布置單體支柱，工作面后0～50m范圍內，單體支柱排距500mm;工作面后50～200m范圍內，單體支柱排距1000mm。在采空區側每2架單體支柱之間布置U型鋼棚并鋪設鋼筋網，鋼筋網長1500mm，寬1100mm，直徑為6.5mm。在鋼筋網與采空區之間鋪設高度為3.4m的風筒布進行封閉，避免發生漏風現象。

4.3 噴漿

待工作面推過200m，垮落巖石與頂板趨于穩定狀態，對采空區垮落不充分的位置進行填充，并且重新維護巷道達到使用要求后進行噴漿處理。

5 圍巖控制方案實施效果分析

23103工作面留巷初期出現擋桿墻U形鋼占巷現象，經過分析，出現這種現象的原因是U形鋼不符合擋矸墻要求，U形鋼底部沒有充分固定在底板，矸石的持續擠壓使U形鋼發生偏移。通過及時改進擋桿墻U形鋼的支護施工工藝，在布置U形鋼時提前挖柱坑，能夠將U形鋼架設在實底且充分固定。23103軌道巷留巷期間，所需支護材料量大，運輸困難，影響了工作面的正常生產，施工過程中通過引進風動單軌吊設備，及時有效解決了支護材料的運輸問題。支護施工過程中，礦壓監測系統還不完善，對沿空留巷礦壓的監測產生了一定的影響，目前礦壓監測設備正在按照需要進行安裝，對礦壓數據的及時分析將會為沿空留巷的施工及穩定性奠定基礎。

在23103工作面推進過程中，100m范圍內巷道未出現明顯變形。當工作面推進120～140m時，由于工作面發生來壓，巷道出現底鼓現象，底鼓量290mm;當工作面推進至140～190m時，該段巷道頂板輕微下沉，巷道高度變形量100～400mm，工作面后巷高為2.3～2.7m（原巷高3.0m）。由巷道變形量及現場觀測可知，當工作面推進至100m時，沿空留巷超前支護距離內出現輕微變形;當工作面推進至120m時，工作面開始出現周期來壓，工作面后20m范圍內巷道為應力集中區，頂板板出現下沉，下沉量為20～30mm，工作面后20～50m范圍內內巷道頂板下沉量較小，擋桿墻U型鋼底端出現輕微滑移，工作面后50m往后巷道頂板及擋桿墻U型鋼均趨于穩定。

6 結論

以斜溝礦23103工作面沿空留巷為研究對象，研究制定軟巖頂板沿空留巷圍巖結構及圍巖控制方案。煤層開采后采空區垮落巖體經過壓實與軟巖頂板、煤壁及上覆穩定巖層共同構成沿空留巷圍巖結構，將會形成沿空巷道“斷頂卸壓+預裂充填巖體”圍巖協調控制結構。有效解決了23103工作面沿空留巷出現的大變形現象。但在施工過程中出現了擋桿墻U形鋼占巷、支護材料運輸困難等問題，需要在進一步優化施工工藝。

參考文獻：

[1]唐芙蓉，馬占國，楊黨委，等.厚層軟巖斷頂充填沿空留巷關鍵參數研究[J].采礦與安全工程學報，2019（6）：1128-1136.