綜采工作面臨空巷道圍巖變形破壞特性及其控制技術(shù)研究

閻 鑫，王 威

(陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司一號煤礦，陜西 黃陵 727307)

0 引言

在工作面回采過程中，臨空巷道在工作面超前支撐壓力及采空區(qū)側(cè)向支撐壓力的疊加作用下，巷道圍巖變形量大，斷面收縮嚴重，支護遭到嚴重破壞，特別是采前掘進的臨空巷道，在服務(wù)期間，受兩區(qū)段工作面回采影響，變形破壞情況更為嚴重，這給安全生產(chǎn)帶來嚴重威脅。因此，研究臨空巷道采動應(yīng)力分布規(guī)律，設(shè)計合理支護參數(shù)，對保障巷道圍巖穩(wěn)定、保證礦井安全生產(chǎn)具有重要的意義。

1 概述

六盤區(qū)位于北二大巷兩翼，南與西一大巷相接，北鄰十一、十四盤區(qū)，東接五盤區(qū)、十盤區(qū)，西部為井田邊界。623進風(fēng)巷位于六盤區(qū)東北部，西接北二運輸大巷，南為621回風(fēng)巷，北部尚未布置工作面，向東為五盤區(qū)。老頂巖性為中粒砂巖和細粒砂巖，厚度平均約11 m，中粒砂巖成分以石英為主，分選性中等，水平波狀層理。細粒砂巖成分以石英、長石為主，夾黑色泥巖，層面可見白云母片，水平波狀層理。中部夾泥巖包裹體，含植物化石碎片。直接頂為泥巖和粉砂巖，平均厚度7.3 m，粉砂巖主要成分為石英和長石，分選性好，致密堅硬。泥巖水平層理局部夾粉砂巖和砂質(zhì)泥巖；含植物化石碎片和FeS2結(jié)核。底板為灰黑色、塊狀，含少量植物化石碎屑的泥巖，平均3.3 m。

2 綜采面臨空巷道圍巖變形破壞分析

2.1 巷道開挖階段

開挖之前，巷道圍巖處于應(yīng)力平衡狀態(tài)，巷道掘出后圍巖應(yīng)力重新分配，典型巷道圍巖應(yīng)力分布如圖1所示。巷道圍巖在偏差應(yīng)力作用下出現(xiàn)損傷擴容，但其值局限在巖石峰值極限變形量之內(nèi)。

圖1 巷道開挖圍巖應(yīng)力分布

2.2 臨近工作面回采階段

如圖2所示，隨著臨近工作面的開采，巷道受超前支撐壓力和采空區(qū)側(cè)向支撐壓力的影響，圍巖發(fā)生剪切變形破壞，即圍巖屈服后巖體沿破裂面的滑移、錯動變形，又稱為碎脹變形。此階段巷道圍巖變形速率增大，累計變形增多，巷道破壞嚴重，直到工作面推過一段時間后，巷道圍巖變形才趨于穩(wěn)定。

圖2 下區(qū)段工作面回采臨空巷道應(yīng)力分布

2.3 本區(qū)段工作面回采階段

如圖3所示，該階段臨空巷道主要受超前支撐壓力的影響，在工作面前方發(fā)生進一步的破壞變形，主要以護巷煤柱的松散破碎及巷道頂板沉降為主。

圖3 本區(qū)段工作面回采臨空巷道應(yīng)力分布

通過上述分析可知，綜采臨空巷道使用期長、巷道圍巖受礦山壓力影響嚴重，使得巷道圍巖變形量大，維護困難，嚴重影響礦井安全生產(chǎn)。因此，需要設(shè)計合理的支護方案和參數(shù)以達到圍巖控制要求。

3 綜采臨空巷道圍巖控制技術(shù)

3.1 確定支護方案

在整個支護體系中，錨桿通過與圍巖的相互作用，起著主承載作用，同時能夠防止圍巖的松動破壞，并有一定的伸縮性，可隨巷道變形而不失去支護能力；錨索作為加強支護方式，錨固深度大，可將下部錨桿形成的次生承載結(jié)構(gòu)與主承載巖層相連，主動支護圍巖，充分利用巷道深部圍巖的強度；在巷道表面輔以鋼帶和金屬網(wǎng)，保證錨桿預(yù)緊力均勻分布，防止錨桿間的松軟巖石垮落及淺部破壞向深部擴展，提高支護的整體性。

由上述分析可以看出，錨網(wǎng)索聯(lián)合支護是一種合理的支護方式，并非是各種支護構(gòu)件的簡單疊加，而是既適應(yīng)了松軟頂?shù)装迕合锏淖冃翁攸c，又充分發(fā)揮了錨桿、錨索的支護能力，維護了巷道圍巖的穩(wěn)定。因此，采用“錨桿+錨索+鋼帶+塑鋼網(wǎng)”的復(fù)合主動支護方案，可保證巷道處于良好的維護狀態(tài)。

3.2 支護參數(shù)

623進風(fēng)巷道沿煤層底板掘進，巷道斷面為矩形，掘進寬度4.6 m，掘進高度2.8 m。在支護設(shè)計時，頂板采用錨桿+錨索梁+塑鋼網(wǎng)聯(lián)合支護。頂錨桿采用φ20 mm×2 500 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，每孔消耗2335型樹脂3節(jié)，錨桿托盤200 mm×200 mm×12 mm，頂錨桿間排距800 mm×800 mm，“六-六”矩形布置。幫錨桿間排距700 mm×1 000 mm，“四-四”矩形布置，兩幫部各增加1根2.6 m長的T140型鋼帶。錨索梁采用礦用T140型鋼帶，梁長4.2 m，排距800 mm，一梁四索，錨索采用φ17.8 mm×10 300 mm防腐鋼絞線，錨深10 m，每孔消耗2370型樹脂3節(jié)；全斷面掛塑鋼網(wǎng)，網(wǎng)孔50 mm×55 mm，具體如圖4、圖5所示。

圖4 巷道支護斷面技術(shù)參數(shù)

3.3 應(yīng)用效果分析

多點位移計可以測得巷道圍巖內(nèi)部的變形及破壞情況。為了檢測巷道支護效果，在巷道兩幫和頂板布置φ28鉆孔，將位移計的固定倒刺送入到3 m、6 m的部位，固定離層儀；將位移計上的測線拉緊固定， 位移計布置如圖6所示。在工作面回采的過程中觀測圍巖變形量，如圖7所示。

圖5 幫錨桿支護技術(shù)參數(shù)

圖6 多點位移計布置參數(shù)

由圖7可知，頂板側(cè)0～3 m、3～6 m的圍巖最大離層量為16 mm、5 mm；主幫側(cè)0～3 m、3～6 m的圍巖最大離層量為17 mm、10 mm；副幫側(cè)0～3 m的變形量為31 mm，3～6 m的變形量為15 mm。巷道在開采過程中未出現(xiàn)明顯變形，表明支護效果良好。

a-頂板深部位移曲線；b-主幫深部位移曲線；c-副幫深部位移曲線圖7 圍巖深部位移監(jiān)測曲線

4 結(jié)論

(1)通過理論分析，臨空巷道圍巖變形破壞可分為3個階段，分別是巷道開挖階段、臨近工作面回采階段以及本區(qū)段回采階段，每一階段臨空巷道圍巖應(yīng)力分布不同，使得巷道圍巖變形破壞的方式也不同，最終由于應(yīng)力場疊加，使得臨空巷道圍巖變形量大，維護困難。

(2)根據(jù)巷道圍巖實際，提出采用“錨桿+錨索+鋼帶+塑鋼網(wǎng)”的復(fù)合主動支護方案，并設(shè)計了合理的支護參數(shù)。結(jié)果顯示：巷道頂板、兩幫最大變形量不大于31 mm，巷道圍巖得到有效控制。

(3)“錨桿+錨索+鋼帶+塑鋼網(wǎng)”的復(fù)合主動支護是一種合理的支護方式，它能大大地提高巷道支護質(zhì)量，根據(jù)圍巖具體情況，提出合理的支護參數(shù)，可以很大程度上解決煤礦井下巷道支護困難的問題，保證巷道圍巖穩(wěn)定性，實現(xiàn)煤礦安全開采。