三向應(yīng)力條件下工作面臨空巷道圍巖變形控制研究

何桂春 劉 陽

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉華宮煤礦，山西 大同 037016）

根據(jù)《煤炭工業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，截止到十三五末期，我國(guó)煤炭產(chǎn)量將控制在年產(chǎn)39 億t左右，煤炭在我國(guó)能源中占比約58%。從中可以看出，未來很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，煤炭在我國(guó)能源中的主導(dǎo)地位不會(huì)變[1]。而隨著煤炭埋深的逐漸加大，深部煤炭在開采時(shí)就需要考慮上覆煤柱對(duì)下層煤開采時(shí)的應(yīng)力影響[2-3]。此外，由于臨近采空區(qū)，工作面煤柱及巷道受上覆巖層的應(yīng)力影響，巷道圍巖應(yīng)力顯現(xiàn)明顯，工作面安全回采難度大[4-5]。而大采高工作面超前區(qū)域應(yīng)力集中，巷道圍巖變形明顯[6-7]。因此，對(duì)于上覆煤柱及臨空等條件下的大采高工作面巷道超前區(qū)域圍巖變形特征和控制技術(shù)的研究就顯得尤為重要[8-9]。

針對(duì)上述難題，本文以晉華宮煤礦11#層8714工作面為工程背景，研究上覆煤柱、臨空壓力和超前壓力等三向應(yīng)力條件下工作面巷道圍巖變形特征和補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)技術(shù)，并通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)進(jìn)行了驗(yàn)證，為今后相似條件下煤礦開采工作面巷道支護(hù)提供經(jīng)驗(yàn)參考和思路借鑒。

1 概況

晉華宮礦井田位置位于山西省大同市北部區(qū)域，所采11#煤層賦存穩(wěn)定，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。井田南部煤厚大，北部相對(duì)較小，煤厚1.69～4.02 m，平均為3.06 m，煤層傾角1°～5°，平均3°，為近水平煤層。地面標(biāo)高1 248.6～1 325.2 m，工作面標(biāo)高866～926 m，煤層平均埋深約390 m。11#煤層基本頂為細(xì)砂巖，厚度10.3 m；直接頂為細(xì)砂巖與粉砂巖互層，厚度1.76 m；直接底為粉砂巖。上覆7-4#層層間距42 m，上覆7#層層間距58 m。8714 工作面留設(shè)20 m 煤柱，煤層基本條件較好。

圖1 11#層8714 工作面上下層位關(guān)系示意圖

2 巷道圍巖穩(wěn)定性及變形特征分析

2.1 巷道圍巖穩(wěn)定性分析

巷道圍巖的穩(wěn)定性是多方面因素綜合影響決定的，其中圍巖強(qiáng)度、應(yīng)力和巷道支護(hù)等三方面因素起主導(dǎo)作用。因此，要分析工作面巷道的穩(wěn)定性，就要從以上三個(gè)方面進(jìn)行分析。11#煤層8714 工作面上覆頂板為10.3 m 的細(xì)砂巖，為堅(jiān)硬頂板，上覆巖層具有很強(qiáng)的承載能力，因此，在工作面回采過程中，當(dāng)圍巖裂隙發(fā)育至細(xì)砂巖層前，巷道圍巖穩(wěn)定性良好，當(dāng)圍巖裂隙發(fā)育至細(xì)砂巖層后，8714 工作面巷道將產(chǎn)生較大的變形失穩(wěn)。11#層8714 工作面覆巖力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 11#層8714 工作?面覆巖力學(xué)參數(shù)

11#層8714 工作面上覆7-4#層層間距為42 m，上覆7#層層間距為58 m。在7#層和7-4#層未開采前，11#煤層處于原巖應(yīng)力狀態(tài)，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分別為δ1和δ3。隨著上覆煤層的開采，在上覆煤層留設(shè)煤柱支撐壓力的影響下，11#煤層煤巖體中最大主應(yīng)力δ1逐漸增大。隨著11#層8714 工作面的回采，巷道頂板受到的最大主應(yīng)力δ1有所減小，最小主應(yīng)力δ3略有增大，頂板主要受到拉伸應(yīng)力作用；巷道兩幫受到垂直支撐壓力的作用，最大主應(yīng)力δ1增大，最小主應(yīng)力δ3減小，主要產(chǎn)生剪切破壞。因此，11#層8714 工作面回采過程中，上覆煤柱區(qū)域巷道圍巖應(yīng)力會(huì)明顯增大。此外，鄰近8712工作面回采后，上覆各巖層破斷垮落形成的側(cè)向支撐壓力與8714 工作面回采時(shí)的超前支撐壓力產(chǎn)生疊加，5714 巷超前區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)明顯的礦壓顯現(xiàn)。綜上所述，8714 工作面回采時(shí)，5714 巷超前區(qū)域?qū)⑹艿缴细裁褐鶋毫Α⑴R空壓力和超前壓力等三向應(yīng)力的集中影響。高應(yīng)力區(qū)巷道圍巖微元體圖如圖2。

圖2 高應(yīng)力區(qū)巷道圍巖微元體圖

2.2 巷道變形特征分析

8714 工作面5714 巷巷道凈寬為4.5 m，凈高為3.0 m，巷道原有支護(hù)采用錨桿、錨索金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，如圖3。頂板支設(shè)4 排樹脂錨桿+2 排錨索，錨桿間排距為1.0 m×1.2 m，錨索間排距為1.5 m×3.0 m；兩幫護(hù)幫采用2 排錨桿配套金屬網(wǎng)支護(hù)，錨桿間排距為1.3 m×1.5 m。頂幫支護(hù)錨桿均為左旋無縱肋螺紋鋼式樹脂錨桿，規(guī)格為Ф18 mm，L2000 mm，配套W 型鋼帶支護(hù)，錨索規(guī)格為Ф15.24 mm，L6000 mm。

圖3 5714 巷道原有支護(hù)示意圖（mm）

在實(shí)際回采過程中，在三向應(yīng)力集中的區(qū)域，5714 巷超前區(qū)域圍巖整體變形嚴(yán)重，頂板開裂、下沉，頂幫錨桿折斷，煤壁片幫及底鼓現(xiàn)象明顯。8714 工作面推進(jìn)至200～500 m 時(shí)，5714 巷超前區(qū)域圍巖發(fā)生較大變形，部分區(qū)域兩幫移近、底鼓。變形后巷道寬度3.8 m，高度2.0 m（變形前為4.5 m×3.0 m），巷道面臨較為嚴(yán)重的圍巖控制和支護(hù)問題，需要對(duì)巷道頂板及煤柱側(cè)巷幫進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，以減小巷道變形情況。

3 巷道圍巖變形控制理論及支護(hù)

3.1 巷道圍巖控制理論研究

針對(duì)8714 工作面回采過程中巷道圍巖控制問題，結(jié)合工作面回采過程中5714 臨空巷道超前區(qū)域圍巖受到的三向應(yīng)力，在實(shí)際的巷道圍巖控制中，以增強(qiáng)巷道頂板承載力、改善巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境為出發(fā)點(diǎn)，達(dá)到圍巖控制和加強(qiáng)支護(hù)的目的。

煤柱下方巷道處于應(yīng)力集中區(qū)域，受到高應(yīng)力影響，圍巖易破碎，但是8714 工作面頂板為堅(jiān)硬頂板，本身具有很高的承載力，因此，采用高強(qiáng)度密集錨索吊梁和斜拉錨索提高巷道圍巖完整性，同時(shí)在巷道圍巖中注入馬麗散使破碎的頂板形成一個(gè)整體，煤層上覆巖層中的裂隙趨于閉合，上覆巖層的垂直應(yīng)力向巷道兩側(cè)深部巖層延伸，可以有效平衡巷道水平高應(yīng)力的剪切作用。此外，在應(yīng)力集中區(qū)施工十字錨索吊梁和貼幫錨索防止巷道圍巖破碎垮落，共同提高巷道圍巖特別是頂板的承載力，優(yōu)化巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境，

3.2 巷道圍巖變形控制支護(hù)

根據(jù)巷道圍巖穩(wěn)定性和變形特征分析，在實(shí)際過程中采用如下方案進(jìn)行巷道圍巖的支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)。5714 巷頂板補(bǔ)打Ф17.8 mm×6000 mm 高強(qiáng)度錨索和3.5 m 的工字鋼吊梁，錨索間排距為1.3 m×2.0 m，工字鋼吊梁排距為2.0 m。在巷道兩幫施工Ф15.24 mm×4000 mm 的斜拉錨索，錨索角度為45°，排距3.0 m，配套0.6 m 長(zhǎng)11#短節(jié)工字鋼。最后，在巷道兩幫下部補(bǔ)打1 排Ф18 mm×2000 mm 壓網(wǎng)錨桿，防止煤壁片幫傷人，錨桿間排距為1.3 m×1.5 m。具體補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)如圖4。

圖4 5714 巷圍巖控制支護(hù)示意圖（mm）

在三向應(yīng)力集中的超前區(qū)域用錨索梁方式十字交叉加固，回采前30 m 在巷道頂板和兩幫破碎區(qū)域注入馬麗散提高頂板和兩幫圍巖強(qiáng)度；在頂板較完整區(qū)域距煤壁0.3～0.5 m 施工一排貼幫邊錨索，規(guī)格Ф15.24 mm×6000 mm，錨索垂直于巷道頂板，防止巷道圍巖開裂破碎后垮落。具體如圖5。

圖5 巷道應(yīng)力集中區(qū)加?強(qiáng)支護(hù)示意圖（mm）

3.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析

經(jīng)工作面現(xiàn)場(chǎng)“十字布點(diǎn)”法觀測(cè)，采取上述支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)方案后，5714 臨空巷在回采過程中超前區(qū)域巷道變形量較之前有了明顯減小，特別是當(dāng)采至1400～1800 m 上覆煤柱區(qū)時(shí)，巷道超前區(qū)域僅出現(xiàn)輕微變形。8714 工作面回采至1400～1800 m 時(shí)5714 巷超前區(qū)域圍巖變形量如圖6。

圖6 5714 巷超前區(qū)域圍巖變形量

4 結(jié)語

對(duì)三向應(yīng)力條件下8714 工作面5714 臨空巷道圍巖變形特征和穩(wěn)定性進(jìn)行分析，提出了巷道圍巖變形控制理論及支護(hù)技術(shù)。通過施工高強(qiáng)度錨索吊梁和斜拉錨索保證巷道圍巖完整性，在應(yīng)力集中區(qū)增加十字錨索吊梁和貼幫邊錨索防止巷道圍巖斷裂失穩(wěn)，發(fā)揮巷道圍巖特別是堅(jiān)硬頂板的自身承載力，最后通過對(duì)8714 工作面回采過程中5714 巷超前區(qū)域的實(shí)際位移觀測(cè)表明，該技術(shù)對(duì)于三向應(yīng)力條件下工作面臨空巷道圍巖變形控制效果顯著，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。