頂板破壞區(qū)下巷道綜合控制技術(shù)研究

陳曉鵬

（霍州煤電集團(tuán)汾河焦煤股份有限公司回坡底煤礦 ，山西 洪洞 031600）

煤炭資源整合礦井工作面生產(chǎn)中，回采巷道掘進(jìn)時(shí)可能會(huì)遇到上分層破壞區(qū)，這些破壞區(qū)與巷道的位置并不確定，巷道掘進(jìn)過(guò)程中應(yīng)盡量避免穿過(guò)這些區(qū)域[1-5]。在探測(cè)不明或必須要過(guò)的時(shí)候，采取相應(yīng)的巷道支護(hù)方式是快速掘進(jìn)通過(guò)破壞區(qū)的有效途徑[6-8]。本文即在頂板破壞區(qū)狀態(tài)下，研究巷道掘進(jìn)通過(guò)破壞區(qū)的綜合控制技術(shù)，達(dá)到保證工作面正常開采的要求。

1 工程概況

回坡底煤礦11-105工作面位于礦井556水平，左側(cè)為東一采區(qū)軌道巷，北部為10-107工作面（未采），南部為11-103工作面（已采），西部為磊上村保安煤柱，上部為上分層10-105工作面采空區(qū)。工作面平均煤厚3.3m，平均傾角3°，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，中下部夾1～2層厚0.3m左右的穩(wěn)定夾矸，夾矸巖性為炭質(zhì)泥巖。工作面直接頂為泥巖、平均厚度3.2m，老頂為粉砂巖、平均厚度3.0m，直接底為泥巖、平均厚度6.5m，礦井地質(zhì)構(gòu)造情況較少，煤巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

11-105工作面巷道掘進(jìn)時(shí)會(huì)遇到兩種不同的頂板狀態(tài)，分別是上方殘留煤柱與破碎采空區(qū)，殘留煤柱會(huì)在煤層中形成應(yīng)力集中并向底板衰減傳遞，巷道處在集中應(yīng)力影響下；當(dāng)上方為破碎采空區(qū)域時(shí)，采空區(qū)內(nèi)垮落巖石較多，圍巖結(jié)構(gòu)較松散，承載能力較差。兩種結(jié)構(gòu)對(duì)巷道掘進(jìn)均有不同程度的影響，需要進(jìn)行進(jìn)一步研究。

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)表

2 不同頂板條件下巷道狀態(tài)分析

針對(duì)11-105掘進(jìn)巷道不同頂板狀況，采用FLAC3D建立數(shù)值進(jìn)行模擬研究，模型尺寸：長(zhǎng)×寬×高=60m×60m×60m，模型兩側(cè)為滑動(dòng)支承，底部為固定支承，上部巖層作用以均布載荷的形式體現(xiàn)，圍巖本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulumb模型，煤巖物理力學(xué)參數(shù)按表1選取。巷道支護(hù)形式：頂板采用錨網(wǎng)梁、錨索聯(lián)合進(jìn)行支護(hù)，頂錨桿“六·六”布置，間排距為880mm×900mm；錨桿選用Φ20×2000mm的左旋螺紋鋼錨桿；錨索“二·二”布置，錨索排距1.8m；幫部采用錨網(wǎng)梁進(jìn)行支護(hù)，錨桿“四·四”布置，間排距為800mm×900mm，錨桿選用Φ20×2000mm的左旋螺紋鋼錨桿。

巷道頂板實(shí)體煤下與破碎采空區(qū)下的巷道圍巖應(yīng)力及位移數(shù)值模擬結(jié)果如圖1～圖4所示。從數(shù)值模擬結(jié)果中可以得知，當(dāng)巷道上方為實(shí)體煤時(shí)，巷道兩側(cè)最大垂直應(yīng)力為6.2MPa，最大應(yīng)力位置為錨桿末端，結(jié)合巷道圍巖位移分布情況可知，此時(shí)錨桿與圍巖充分作用形成錨固體，大大增加了巷道圍巖的承載能力，巷道頂板垂直位移最大值為16mm、兩幫移近量為30mm，圍巖斷面保持在一個(gè)穩(wěn)定的范圍內(nèi)，圍巖控制效果顯著；當(dāng)巷道上方為采空區(qū)時(shí)，此時(shí)巷道支護(hù)未采用錨索支護(hù)，在上方采空區(qū)邊緣形成應(yīng)力集中區(qū)，垂直應(yīng)力最大值達(dá)7.2MPa，較大的應(yīng)力導(dǎo)致巷道與采空區(qū)之間的頂板出現(xiàn)破碎狀態(tài)，因此需要采取措施針對(duì)上方采空區(qū)進(jìn)行處理以達(dá)到實(shí)體煤狀態(tài)下的應(yīng)力狀態(tài)，為巷道加強(qiáng)支護(hù)創(chuàng)造有利條件。

圖1 實(shí)體煤柱下巷道應(yīng)力分布規(guī)律

圖2 實(shí)體煤柱下位移分布規(guī)律

圖3 采空區(qū)下應(yīng)力分布規(guī)律

圖4 采空區(qū)下位移分布規(guī)律

3 破碎頂板下巷道圍巖控制技術(shù)

3.1 破碎采空區(qū)充填控制技術(shù)

根據(jù)上節(jié)分析，頂板破碎采空區(qū)狀態(tài)下，單單采取錨桿索支護(hù)是不能夠達(dá)到巷道控制要求的。存在破碎采空區(qū)的頂板整體性較差，裂隙發(fā)育較復(fù)雜，存在冒頂和沖擊的風(fēng)險(xiǎn)，可以采用高泡水泥充填破碎采空區(qū)，增加對(duì)上方老頂?shù)闹瘟υ鰪?qiáng)頂板結(jié)構(gòu)完整性。高泡水泥材料充填流程如圖5所示。根據(jù)巷道頂板上方破碎帶的位置及范圍，對(duì)充填區(qū)域進(jìn)行劃分，將每20m范圍為一個(gè)充填單元進(jìn)行鉆孔作業(yè)，鉆孔排間距為5m，鉆孔深度1～2m（貫通破碎帶），通過(guò)鉆孔向破碎區(qū)域注入配制的高泡水泥，按照充填推進(jìn)方向依次填充，直到將破碎區(qū)域充滿，并將注漿孔封閉。

圖5 高泡水泥充填流程圖

3.2 控制效果分析

在完成充填工作后，還需對(duì)巷道圍巖變形量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，防止巷道在充填后出現(xiàn)大范圍的沉降。采用精度較高的紅外測(cè)距儀與十字布點(diǎn)法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)精度要求估讀到0.5mm，布置在充填區(qū)域的測(cè)站共5個(gè)，監(jiān)測(cè)周期為兩個(gè)月，監(jiān)測(cè)曲線如圖6所示。由監(jiān)測(cè)曲線可知，巷道圍巖變形在前20d的時(shí)候變化速率一直較大，20～45d之間變化速率減緩，充填支護(hù)完成45d之后，巷道無(wú)論頂?shù)装暹€是兩幫整體變形均逐漸平緩，巷道整體呈現(xiàn)出較穩(wěn)定的狀態(tài)。整體而言，巷道頂?shù)装遄冃畏缺葍蓭妥冃我。數(shù)装遄冃畏逯禐?60mm、兩幫變形的絕對(duì)峰值為240mm，說(shuō)明此時(shí)頂板充填效果好，巷道整體變形滿足設(shè)備及生產(chǎn)的需求，巷道頂部圍巖呈現(xiàn)一定程度的臺(tái)階變化，變化速率隨著時(shí)間的增加越來(lái)越小，說(shuō)明充填效果越來(lái)越好，下沉最大值最終穩(wěn)定在9mm，變化范圍可控，充填控制效果較好。

圖6 圍巖監(jiān)測(cè)曲線

4 結(jié) 論

通過(guò)分析不同頂板條件下巷道狀態(tài)可知，破碎采空區(qū)下巷道頂板完整性差，裂隙較發(fā)育，設(shè)計(jì)采用錨桿索與高泡水泥充填的綜合控制方法進(jìn)行巷道控制，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明巷道頂?shù)装遄冃瘟枯^穩(wěn)定、兩幫移近量起伏不明顯、頂板離層量保持在可控范圍內(nèi)，表明采用該種支護(hù)方案的巷道控制效果好，能夠滿足礦井工作面生產(chǎn)工作要求。