開(kāi)拓煤業(yè)極近距離煤層回采巷道圍巖控制技術(shù)研究應(yīng)用

曹海彬

（山西潞安化工集團(tuán)蒲縣開(kāi)拓煤業(yè)公司，山西 蒲縣 041206）

1 工程概況

山西潞安集團(tuán)蒲縣開(kāi)拓煤業(yè)有限公司3109 工作面開(kāi)采3#煤層，煤層平均厚度為4.22 m，平均含有兩層夾矸。煤層頂板巖層為泥巖，局部為粉砂巖，底板巖層為泥巖和炭質(zhì)泥巖。3#煤層與2#煤層間的間距為2.5～4 m，屬于極近距離煤層。3109 軌道回風(fēng)巷沿3#煤層底板掘進(jìn)，巷道斷面為梯形，上寬為2.7 m，下寬為3.7 m，凈高為2.49 m。3109 軌道回風(fēng)巷上方為2#煤層采空區(qū)，為保障極近距離采空區(qū)下回采巷道圍巖的穩(wěn)定，特進(jìn)行圍巖控制技術(shù)研究與分析。

2 破碎頂板支護(hù)機(jī)理與原則

2.1 破碎頂板特征

破碎頂板是指煤層上方的巖體在裂隙切割下形成的松散巖塊所組成的巖體。破碎頂板自身的承載能力較低，其主要依靠破碎巖塊間的擠壓摩擦作用形成一定的強(qiáng)度，且破碎頂板會(huì)在巷道圍巖應(yīng)力的作用下相互擠壓，從而在破碎巖塊間形成壓力拱。在破碎圍巖體壓力拱的作用下，壓力拱上方的巖塊不會(huì)出現(xiàn)垮落現(xiàn)象。針對(duì)壓力拱下方的巖塊，由于其上的水平壓力較小，且?guī)r塊間的摩擦阻力小于巖塊的自身重力，此時(shí)若支護(hù)方式不合理，頂板極易出現(xiàn)垮落[1-3]。

針對(duì)破碎頂板巷道的支護(hù)，其主要目的是為了控制巷道圍巖的變形及頂板的進(jìn)一步垮落，進(jìn)而達(dá)到控制壓力拱范圍內(nèi)及其下方巖塊冒落的目的。單根錨桿主要是通過(guò)點(diǎn)與頂板的接觸達(dá)到控制巖層的目的，但當(dāng)頂板松軟破碎時(shí)，采用錨桿支護(hù)所能實(shí)現(xiàn)的支護(hù)效果將大幅降低[4-5]。破碎頂板內(nèi)采用垂直方式布置錨桿時(shí)，錨桿僅能夠提供垂直方向的擠壓力，會(huì)出現(xiàn)錨固點(diǎn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象；當(dāng)傾斜布置錨桿時(shí)，巷道中部的巖塊體易出現(xiàn)大變形和垮落的現(xiàn)象。

2.2 支護(hù)原則與支護(hù)方式模擬

根據(jù)3109 工作面軌道回風(fēng)巷的具體地質(zhì)條件可知，巷道頂板巖層破損嚴(yán)重。結(jié)合破碎頂板的特征，為保障巷道圍巖穩(wěn)定，提出支護(hù)原則如下：（1）強(qiáng)化頂板管理，減緩兩幫壓力；（2）增強(qiáng)頂板初期支護(hù)；（3）加大支護(hù)強(qiáng)度，改善圍巖性能[6]。

基于3109 工作面軌道回風(fēng)巷支護(hù)原則，結(jié)合破碎頂板特征，現(xiàn)分別設(shè)計(jì)巷道頂板采用錨桿索支護(hù)和架棚支護(hù)進(jìn)行對(duì)比分析。采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立模型長(zhǎng)×寬×高=160 m×90 m×94 m，模型左右兩側(cè)各取40 m 的邊界，模型上邊界施加等效垂直應(yīng)力，固定模型左右邊界的側(cè)向位移，固定模型底部的上下及左右位移，基于巷道特征進(jìn)行各巖層物理力學(xué)參數(shù)的賦值。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果能夠得出，巷道在采用錨桿索支護(hù)和架棚支護(hù)時(shí)，巷道圍巖垂直應(yīng)力分布云圖如圖1。

圖1 垂直應(yīng)力分布云圖

分析圖1 可知，巷道在采用錨桿索支護(hù)時(shí)，巷道內(nèi)部的垂直應(yīng)力相較于巷道未支護(hù)時(shí)出現(xiàn)一定程度的降低，但垂直應(yīng)力降低幅度較小。當(dāng)巷道采用架棚支護(hù)時(shí)，巷道圍巖垂直應(yīng)力出現(xiàn)一定程度的降低，但在巷道頂板位置處仍存在著一定程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象。且根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，巷道在采用架棚支護(hù)時(shí)，巷道頂板下沉量仍較大，無(wú)法滿足回采巷道的使用要求。

基于3109 軌道回風(fēng)巷采用錨桿索支護(hù)和架棚支護(hù)的數(shù)值模擬結(jié)果，進(jìn)行巷道圍巖錨桿+架棚、錨桿錨索+架棚的綜合支護(hù)方式分析。根據(jù)模擬結(jié)果能夠得出，在該種支護(hù)方式下工作面回采期間巷道圍巖的位移情況如圖2。

分析圖2 可知，巷道采用錨桿索+架棚或錨桿+架棚支護(hù)方案后，相較于巷道僅采用錨桿支護(hù)或架棚支護(hù)時(shí)，頂板下沉量及兩幫移近量均大幅減小。且從圖中能夠看出，隨著工作面回采作業(yè)的進(jìn)行，頂板下沉量及兩幫移近量均在逐漸增大，巷道采用錨桿+架棚支護(hù)和采用錨桿索+架棚支護(hù)時(shí)，巷道圍巖位移量相較較小，這是由于2#煤層采空區(qū)與3#煤層間間距較小，錨索錨固范圍內(nèi)均為頂板破碎區(qū)域，無(wú)法起到錨索充分的錨固效果，進(jìn)而無(wú)法起到提升圍巖承載能力的效果。巷道采用錨桿+架棚支護(hù)時(shí)，模擬結(jié)果顯示，工作面回采100 m 時(shí)，頂板下沉量為60 mm，兩幫移近量為59 mm。綜合上述分析可知，巷道采用錨桿+架棚支護(hù)方案，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，巷道圍巖變形量滿足回采巷道的使用要求。

圖2 工作面回采期間巷道圍巖位移曲線圖

3 圍巖控制技術(shù)

3.1 圍巖支護(hù)方案

綜合3109 軌道回風(fēng)巷的具體地質(zhì)條件，結(jié)合巷道支護(hù)原則及數(shù)值模擬結(jié)果，確定巷道采用錨網(wǎng)梁+工字鋼的支護(hù)方案。其中巷道基本支護(hù)為頂錨桿+梯子梁+幫錨桿+梯子梁+金屬網(wǎng)/塑料網(wǎng)，加強(qiáng)支護(hù)為11#礦用工字鋼，具體支護(hù)方案如下：

3.1.1 基本支護(hù)

（1）頂板支護(hù)

錨桿采用規(guī)格20#-M22-2000 mm 左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，Ф=20 mm，長(zhǎng)度為2000 mm，托盤(pán)采用120 mm×120 mm×8 mm 的鋼板鐘形托板。頂板錨桿間排距為900 mm× 1000 mm。金屬網(wǎng)選用10#鉛絲制作的金屬經(jīng)緯網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格50 mm×50 mm，網(wǎng)片規(guī)格3200 mm ×1200 mm。組合梁采用寬度為80 mm、長(zhǎng)度為3000 mm 的鋼筋梯子梁。

（2）兩幫支護(hù)

兩幫錨桿采用20#-M22-2000 mm 左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿Ф=20 mm，長(zhǎng)度2000 mm，托盤(pán)規(guī)格同頂板。兩幫錨桿間排距1000 mm×800 mm。兩幫中外幫采用10#鉛絲制作的金屬經(jīng)緯網(wǎng)，網(wǎng)片規(guī)格2500 mm×1000 mm；內(nèi)幫采用阻燃尼龍網(wǎng)，網(wǎng)片規(guī)格2500 mm×1000 mm。兩幫組合梁采用寬度為80 mm、長(zhǎng)度為2300 mm 的鋼筋梯子梁。

3.1.2 加強(qiáng)支護(hù)

（1）頂梁、支腿

采用11 號(hào)礦用工字鋼，頂梁長(zhǎng)度為3.0 m，支腿長(zhǎng)度為2.8 m。

（2）剎桿

每架棚頂剎桿為六根，從梁的端頭0.25 m 處開(kāi)始，間距0.5 m 依次布置（頂板破碎時(shí)可適當(dāng)多上剎桿），規(guī)格尺寸1000 mm×100 mm×40 mm。每架棚側(cè)剎桿為兩根，兩側(cè)各一根，距頂梁1.6 m，規(guī)格尺寸為1000 mm×100 mm×40 mm。

（3）拉桿

架與架之間采用拉桿連接，頂梁之間采用兩個(gè)拉桿，支腿采用一個(gè)拉桿，拉桿采用Ф16 mm 圓鋼制作。工字鋼棚間距800 mm。

（4）撐棍

架與架之間采用三根撐棍，頂梁中間采用一根撐棍，支腿靠近梁窩處各上一根撐棍。撐棍要打設(shè)在一條直線上。

具體3109 軌道回風(fēng)巷支護(hù)斷面如圖3。

圖3 巷道支護(hù)斷面圖

3.2 效果分析

3109 軌道回風(fēng)巷采用現(xiàn)有支護(hù)方案后，分別在巷道掘進(jìn)期間和工作面回采期間進(jìn)行巷道表面位移的觀測(cè)分析，表面位移監(jiān)測(cè)采用十字布點(diǎn)法。掘進(jìn)工作面的監(jiān)測(cè)斷面在掘進(jìn)迎頭處，回采期間監(jiān)測(cè)斷面在超前工作面40 m 的位置處。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果繪制得出巷道圍巖變形曲線圖如圖4。

圖4 巷道掘進(jìn)期間及回采期間圍巖變形曲線圖

分析圖4 可知，巷道采用現(xiàn)有支護(hù)方案時(shí)，掘巷期間巷道圍巖變形速率在滯后迎頭20 m 的位置處開(kāi)始大幅增大，當(dāng)滯后迎頭45 m 后，圍巖變形速率大幅降低，其中頂板最大下沉量為98 mm，兩幫最大移近量為61 mm，底板鼓起量為24 mm。工作面回采期間，監(jiān)測(cè)斷面在超前工作面40 m 時(shí)，圍巖變形量開(kāi)始逐漸增大，在監(jiān)測(cè)斷面距工作面5 m 時(shí)，頂板下沉量達(dá)到148 mm，兩幫移近量達(dá)到98 mm，底板鼓起量達(dá)到60 mm，圍巖變形量較小。

4 結(jié)論

根據(jù)3109 軌道回風(fēng)巷近距離煤層采空區(qū)下圍巖地質(zhì)條件，通過(guò)分析破碎頂板的具體特征及支護(hù)原則，采用數(shù)值模擬進(jìn)行支護(hù)方式的模擬分析。基于模擬結(jié)果設(shè)計(jì)巷道采用錨網(wǎng)梁+架棚支護(hù)，結(jié)合巷道特征進(jìn)行支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)。根據(jù)巷道掘進(jìn)期間及回采期間的變形效果分析可知，巷道在現(xiàn)有支護(hù)方案下圍巖變形量滿足使用要求。