沙吉海煤礦綜放工作面回撤通道圍巖控制技術研究

金鳴

（國網能源和豐煤電有限公司 沙吉海煤礦，新疆 塔城 834400）

0 引 言

隨著煤礦井下工作面不斷推進，當回采靠近回撤通道時，回撤通道受到劇烈采動影響，圍巖變形量普遍很大，尤其對于三軟厚煤層綜放工作面來說，超前采動影響下煤體的破壞更加嚴重，回撤通道的維護難度很大[1-5]。

針對回撤通道礦壓顯現(xiàn)劇烈，頂板維護困難的問題，諸多學者進行了大量研究。王兆會等[6]探究了基本頂斷裂線位置與回撤過程礦壓顯現(xiàn)的關系，提出了改變采高、工作面推進速度、局部充填的頂板控制措施。賀艷軍等[7-9]提出調整垛架初撐力能夠減小回撤通道側煤柱疊加應力值，減小剩余煤柱失穩(wěn)時對應的煤柱寬度，減小直接頂對應的跨距，避免直接頂破壞，保證回撤順利進行。陶雷[10]等基于頂幫協(xié)同控制的原則，提出預防性的主回撤通道補強支護方案，并配合末采期間圍巖穩(wěn)定性控制措施，現(xiàn)場應用效果良好。本文在前人的研究基礎上，以沙吉海煤礦B10 煤層工作面回撤通道為工程背景，結合現(xiàn)場實測與理論分析，提出了回撤空間頂板多層次耦合控制原理，形成了回撤空間頂板耦合控制方法，研究成果可為類似條件下回撤通道的圍巖控制提供參考。

1 工程背景

1.1 工程地質條件

沙吉海煤礦位于新疆和什托洛蓋特大型煤田內。現(xiàn)主采B10 煤層，厚度為0.82 ～8.67 m，平均5.68 m，可采5.38 m，首采區(qū)煤層厚度3.97 ～7.98 m，平均厚度6.8 m。

沙吉海煤礦綜采工作面采用預開回撤通道的形式，如單回撤通道、雙回撤通道，但回撤通道圍巖支承壓力較大，圍巖變形破壞較大，采前需要對回撤通道進行單體、木垛支護以及錨索補強和注射馬麗散支護，末采時對工作面進行掛網支護，工作面與回撤通道貫通后需要對單體和木垛進行逐根回收，支護工藝繁瑣、回撤周期長，回撤期間頂板維護效果欠佳，嚴重制約了工程進度和頂板安全。

現(xiàn)準備在B10 煤層的B1003W03 工作面進行回撤通道留設，工作面上、下順槽現(xiàn)場實際揭露煤層平均厚度在6.5~6.8 m，煤層傾角在9°~17°，煤層的分層不太明顯，但垂直大角度裂隙和垂直節(jié)理較為發(fā)育。

1.2 回撤通道區(qū)域圍巖結構分析

為了準確掌握回撤通道圍巖結構特征，在B1003W03 運輸順槽巷道頂板進行頂板巖層狀態(tài)探測。在B1003W03 離回撤位置較近區(qū)域的運輸順槽202、217、232、247 m 位置處分別布置為1、2、3、4 號等4 個鉆孔，如圖1 所示。

圖1 B1003W03 工作面鉆孔位置布置Fig.1 Borehole position layout of No.B1003W03 Face

巷道頂板圍巖主要為泥巖、粉砂質泥巖、粉砂巖、泥巖、粗砂巖，表明頂板復合特點顯著。其中泥巖中間出現(xiàn)煤巖互層，鉆孔可視范圍內的淺部巖層以煤和泥巖為主；中部以砂質泥巖為主，砂質泥巖呈灰色，完整性較好；深部巖層以粉砂質泥巖和粉砂巖為主，且粉砂巖整體完整性較好，表面光滑，致密性好。代表性鉆孔窺視結果如圖2 所示。

2 劇烈采動影響期間巷道圍巖高密度深部位移監(jiān)測

為了確定巷道在工作面推進過程中圍巖的松動范圍，為回撤空間錨網支護設計提供基礎數(shù)據，在B1003W03 運輸順槽進行了深基點位移監(jiān)測，根據煤幫變形破壞劇烈程度預估和現(xiàn)場條件設計監(jiān)測方案，在距離B1003W03 工作面36 m 處布置測站，如圖3 所示。

圖2 B10 煤層頂板巖層結構窺視探測結果Fig.2 Peeping detection results of roof strata structure of No.B10 Coal Seam

圖3 深部位移監(jiān)測站Fig.3 Deep displacement monitoring station

測站深部位移監(jiān)測儀設置方式為，煤柱幫布置2 個深部位移監(jiān)測儀，其中一個監(jiān)測深度為2.0 、3.0、4.0 m，另一個監(jiān)測深度為1.5、2.5、3.5 m，頂板布置2 個深部位移監(jiān)測儀，其中一個監(jiān)測深度為2.0、3.0、6.5 m，另一個監(jiān)測深度為2.5、4.0、8.0 m，根據讀數(shù)算出各點相對位移量，得出圍巖內部松動破壞范圍，圖4 為B1003W03 運輸順槽頂板深部位移監(jiān)測結果，圖5 為B1003W03 運輸順槽煤柱幫深部位移監(jiān)測結果。

由圖4 可以看出，頂板0~2.0 m 的變形量為10 mm，2.0~2.5 m 的變形量為30 mm，2.5~3.0 m變形量為11 mm，3.0~4.0 m 變形量為23 mm，而4.0~6.5 m 和6.5~8.0 m 位移量平均為1 mm 左右，4.0 m 范圍內的圍巖變形占總變形量的96%。

圖4 B1003W03 運輸順槽頂板深部位移監(jiān)測結果Fig.4 Monitoring results of deep displacement of roof in B1003W03 transport channel

圖5 B1003W03 運輸順槽煤柱幫深部位移監(jiān)測結果Fig.5 Deep displacement monitoring results of coal pillar side in B1003W03 transport channel

如圖5 所示，煤柱幫0~1.5 m 的變形量為60 mm，而1.5~4.0 位移量僅占總變形量的少量，平均約為5 mm 左右，1.5 m 范圍內的圍巖變形破壞嚴重，占總變形量的75%。

監(jiān)測結果說明伴隨著工作面的推進，巷道圍巖受到采動影響，巷道圍巖頂板松動范圍主要發(fā)生在4.0 m 左右。煤柱幫松動范圍主要出現(xiàn)在1.5 m左右。

對于回撤空間這一受劇烈采動影響的區(qū)域，4 m 范圍的中部層位頂板是頂板整體穩(wěn)定的關鍵，除普通錨桿和長錨索的使用，應適量使用長度不小于4.8 m 的中長錨索。1.5 m 范圍內的幫部是巷幫穩(wěn)定的關鍵，應使用長度不小于2.2 m 的錨桿進行控制。

3 回撤空間頂板多層次耦合控制機理

相比工作面兩側回采巷道，回撤通道通常會受到劇烈采動影響，頂板破裂深度較大，結合現(xiàn)有錨桿（索） 支護材料及支護特點，采用合理的頂板控制方式，對淺部、中部、深部頂板進行針對性控制，形成多層次耦合控制方法，有效控制圍巖變形，保障工作面設備的順利回撤。

（1） 淺部層位頂板控制。

控制淺部層位頂板主要是控制淺部頂板塊狀危巖墜落以及變形破碎后的漏頂，采用高密度普通長度錨桿支護方式，普通錨桿長度應大于墜落巖塊的高度，錨桿支護力應大于可能墜落巖塊的重量。同時加以輔助材料支護防止表層頂板碎巖掉落傷人。

（2） 中部層位頂板的控制。

回撤空間頂板礦壓顯現(xiàn)劇烈、頂板自穩(wěn)能力差，中部層位頂板的控制是核心，應充分發(fā)揮錨桿與圍巖共同形成的＂錨固體巖梁＂的作用，盡可能利用頂板圍巖這種天然的承載體，由于回撤空間頂板一般在成巷后不久，淺部圍巖即發(fā)生破壞，普通長度錨桿難以發(fā)揮作用，需采用中長錨索為主的支護形式。中長錨索的控制作用是使中部層位頂板得到強化，增加錨固體巖梁極限跨距，保證錨固體巖梁穩(wěn)定性。將回撤空間中層位頂板簡化為固支梁力學模型，最大彎矩發(fā)生在梁兩端，最大拉應力：

最大剪應力發(fā)生在梁的兩端，最大剪應力為：

式中：L為錨固體巖梁跨度。

依據頂板錨固體巖梁破壞時滿足庫侖－莫爾強度準則，可得：

式中：σc為錨固體巖梁單軸抗壓強度，MPa；σt為錨固體巖梁正拉應力，MPa；τt為錨固體巖梁拉剪應力，MPa；ck為頂板錨固體巖梁等效內聚力，MPa；φk為頂板錨固體巖梁等效內摩擦角。

錨固體巖梁得以穩(wěn)定，則不能發(fā)生中間拉應力破壞和兩端剪應力破壞，即[11]：

聯(lián)立式（1） ~式（5） 可得，錨固體巖梁得以穩(wěn)定，接長錨桿強化中部層位頂板的等效內聚力、等效內摩擦角等強化參數(shù)應滿足：

（3） 深部層位頂板的控制。

防止深部層位頂板大范圍垮塌，需要足夠的支護力和錨固范圍，主要采用大直徑長錨索進行控制，足夠的錨索長度也相應保證了錨索具有較大的延伸長度，足夠的支護力也可對錨固體巖梁進行二次強化，根據懸吊理論，要防止深部層位頂板大范圍垮塌，需滿足以下條件：

綜合上述分析，形成了以中長錨索為主導的回撤空間頂板層次控制方法：輔助支護材料防止表層頂板碎巖掉落；高密度普通長度錨桿控制淺部頂板危巖墜落與局部漏頂；中長錨索強化中部層位頂板圍巖，保證錨固體巖梁的穩(wěn)定性并防止頂板大塊度冒頂；長錨索控制深部層位頂板大范圍失穩(wěn)垮塌，同時二次強化錨固體巖梁；圍巖劣化地段支設單體液壓支柱等被動支護形成回撤空間頂板安全的再次保障。

4 現(xiàn)場應用與監(jiān)測

根據B1003W03 工作面現(xiàn)場實際情況，采用回撤空間頂板多層次耦合控制機理對回撤通道進行支護參數(shù)設計。

頂錨桿均采用φ22 mm×2 500 mm 螺紋鋼錨桿；回撤通道寬度為5.5 m，高度為3.7 m，內摩擦角θf和巖石堅固性系數(shù)f根據頂板泥巖實測值分別取15.6°和1.9，安全系數(shù)k 取2.0，根據式（7）~式（8） 可得到長錨索有效長度l≥5.85 m，結合現(xiàn)場情況長錨索設計為8 300 mm，上下兩端頭、抹角區(qū)域等跨度較大區(qū)域，適當采用規(guī)格為φ21.8 mm×9 300 mm 的長錨索；由式（6） 可知，錨固巖梁的穩(wěn)定性主要由錨索支護保障，所以增設φ21.8 mm×5 300 mm 頂錨索規(guī)格。錨固劑均采用K2860 樹脂錨固劑錨固，錨索預緊力不得小于150 kN，抗拔力不得小于200 kN，錨索外露不得大于250 mm，每根錨索裝2 個K2860 樹脂錨固劑錨固。

考慮到施工方便和錨桿錨索的影響范圍，進行了回撤空間具體支護參數(shù)設計，第1 排和第7 排布置中長錨索，規(guī)格皆為φ21.8 mm×5 300 mm，間排距為800 mm×800 mm；第2、4、6 排全部使用錨桿，規(guī)格為φ22 mm×2 500 mm，間排距為800 mm×800 mm；第3、5 排使用長錨索錨索，規(guī)格為φ21.8 mm×8 300 mm，間排距為800 mm×800 mm。沙吉海煤礦綜放工作面回撤空間支護設計如圖6 所示。

圖6 回撤空間支護設計圖Fig.6 Support design of retracement space

為驗證多層次耦合控制方法的圍巖控制效果，在回撤通道內設置表面位移測點，進行巷道斷面頂?shù)装灞砻嫖灰朴^測，選取有代表性的1 號、2 號、3 號、4 號測站進行分析，監(jiān)測數(shù)據如圖7 所示。

圖7 回撤通道頂?shù)装逡平縁ig.7 The displacement of the roof and floor of the retracement roadway

根據監(jiān)測結果可知，頂?shù)装逡平砍尸F(xiàn)增大的趨勢，回撤通道頂?shù)装逡平孔畲髢H為210 mm，說明多層次耦合控制技術有效控制了圍巖變形，支護參數(shù)設計合理。

5 結 論

（1） 根據回撤通道圍巖結構探測結果可知，頂板巖層復合特征明顯，鉆孔淺部多出現(xiàn)煤夾層現(xiàn)象，鉆孔中深部巖層完整性和致密性較好。

（2） 基于巷道頂板圍巖高密度深部位移監(jiān)測結果，提出了以中長錨索為主導的回撤空間頂板耦合控制方法。現(xiàn)場監(jiān)測表明回撤通道圍巖得到有效控制，保障了工作面快速回撤。