伏巖煤業(yè)重復(fù)采動(dòng)巷道頂板失穩(wěn)機(jī)理及控制技術(shù)

李文東

(山西陽城陽泰集團(tuán) 伏巖煤業(yè)有限公司，山西 陽城 048105)

1 工程概況

伏巖煤業(yè)目前開采3號(hào)煤層，3號(hào)煤層賦存穩(wěn)定，厚度變化較小，煤質(zhì)以亮煤為主，煤層厚度為5.53～7.76 m，平均6.50 m，煤層傾角1～6°。正在回采的3204工作面位于二采區(qū)大巷西側(cè)，東部為中央大巷，西接礦界保安煤柱，北為3206工作面(未采)，南為3202工作面采空區(qū)。工作面地面標(biāo)高+795～+824 m，井下標(biāo)高+410～+494 m，平均埋深約350 m。工作面采用綜采一次采全高的采煤方法，全部垮落法管理頂板。設(shè)計(jì)3204輔助運(yùn)輸巷留巷作為3206工作面的回風(fēng)巷使用。3204輔助運(yùn)輸巷與3204工作面間煤柱寬度為20 m，該巷需承受3204和3206兩個(gè)工作面的采動(dòng)影響，在3204工作面回采初期輔助運(yùn)輸巷頂板出現(xiàn)明顯的下沉現(xiàn)象，需采取適當(dāng)措施進(jìn)行治理。

2 3204輔助運(yùn)輸巷圍巖變形現(xiàn)狀

2.1 3204輔助運(yùn)輸巷支護(hù)方案

3204輔助運(yùn)輸巷斷面為矩形，尺寸為：寬×高=5.4 m×3.4 m。頂板采用“錨網(wǎng)索+π型鋼帶”進(jìn)行支護(hù)，錨桿采用D22 mm×2 400 mm的左旋無縱筋螺紋鋼樹脂錨桿，間排距為1 000 mm×1 000 mm，每排布置6根，與兩側(cè)煤壁距離200 mm，均垂直頂板安裝，錨固劑采用K2335和Z2360 樹脂藥卷各一支，頂網(wǎng)采用由直徑為6.5 mm鐵絲制成的網(wǎng)孔為150 mm×150 mm的菱形網(wǎng)，網(wǎng)片規(guī)格為5 200 mm×1 100 mm，錨索采用D22 mm×8 000 mm的高強(qiáng)錨索，間排距為2 100 mm×2 000 mm，每排3根，距離兩幫煤壁600 mm，均垂直頂板安裝，錨索間通過長(zhǎng)度為4 600 mm的五孔π型鋼帶聯(lián)結(jié)，錨固劑采用兩支K2335 和一支Z2360樹脂藥卷錨固劑。

煤柱幫采用“螺紋鋼錨桿+木托盤+鉛絲網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)，錨桿采用D18 mm×2 100 mm的螺紋鋼樹脂錨桿，間排距為800 mm×1 000 mm，靠近底板的錨桿與地板距離為700 mm，錨固方式和頂板錨桿相同，均垂直煤壁安裝，錨桿托盤為500 mm×200 mm×50 mm的木托盤，幫網(wǎng)采用規(guī)格3 400 mm×1 100 mm的由10號(hào)鉛絲加工而成的金屬網(wǎng)，網(wǎng)孔尺寸45 mm×45 mm，鉛絲網(wǎng)間的搭接寬度不小于100 mm。靠3206工作面?zhèn)戎ёo(hù)方式為“玻璃鋼錨桿+木托板+塑料網(wǎng)”，錨桿采用D22 mm×2 100 mm的玻璃鋼錨桿，布置方式與煤柱幫相同，幫網(wǎng)采用3 400 mm×1 100 mm的高強(qiáng)度塑料網(wǎng)，網(wǎng)孔40 mm×40 mm，網(wǎng)片之間搭接通過14號(hào)雙股鉛絲固定，塑料網(wǎng)與頂板菱形網(wǎng)搭接長(zhǎng)度為200 mm，塑料網(wǎng)與頂網(wǎng)搭接處用π型鋼帶壓實(shí)。支護(hù)方案如圖1所示。

圖1 3204輔助運(yùn)輸巷支護(hù)方案示意(mm)

2.2 3204輔助運(yùn)輸巷圍巖失穩(wěn)機(jī)理

3204工作面回采時(shí)輔助運(yùn)輸巷圍巖出現(xiàn)明顯的礦壓顯現(xiàn)，為詳細(xì)了解在一次采動(dòng)影響下留巷圍巖的變形情況，對(duì)3204輔助運(yùn)輸巷的圍巖位移情況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，此時(shí)3204工作面已回采了680 m，對(duì)工作面前方200 m和工作面后方進(jìn)行了觀測(cè)，觀測(cè)的區(qū)段和結(jié)果如圖2所示。

圖2 3204輔助運(yùn)輸巷圍巖位移監(jiān)測(cè)方案及結(jié)果

由圖2(b)和(c)可知：在3204工作面采動(dòng)影響下，工作面后方630～420 m范圍內(nèi)頂板下沉量呈增大趨勢(shì)，工作面后方420～190 m范圍內(nèi)頂板下沉量達(dá)到最大并且基本穩(wěn)定，平均約為64.2 cm，工作面后方190～0 m范圍內(nèi)，頂板下沉量逐漸增大；超前工作面200 m范圍內(nèi)，頂板下沉量波動(dòng)不大，平均約為24.9 cm。但兩幫相對(duì)移進(jìn)量變化幅度不大，平均值約為9.8 cm。根據(jù)以上監(jiān)測(cè)結(jié)果可知：3204工作面回采期間，輔助運(yùn)輸巷對(duì)應(yīng)工作面前方圍巖未出現(xiàn)明顯的失穩(wěn)破壞情況，而在工作面對(duì)應(yīng)位置及后方圍巖開始出現(xiàn)明顯的失穩(wěn)，隨著與工作面距離的增加，巷道圍巖變形量逐漸增大最終趨于穩(wěn)定，圍巖失穩(wěn)的主要形式為頂板下沉出現(xiàn)網(wǎng)兜和錨桿錨索破斷失效，在工作面后方一定距離內(nèi)，已嚴(yán)重影響巷道留巷作為3206回風(fēng)巷的正常使用。

3 3204輔助運(yùn)輸巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)結(jié)果可知，3204輔助運(yùn)輸巷圍巖失穩(wěn)變形主要是由于工作面采動(dòng)的影響，在工作面后方一定距離內(nèi)頂板發(fā)生明顯的失穩(wěn)破壞，為防止其影響工作面的安全正常生產(chǎn)，并作為3206工作面回風(fēng)巷的正常使用，需對(duì)巷道進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。為合理確定補(bǔ)強(qiáng)方案，結(jié)合3204工作面具體的地質(zhì)條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立模型，煤巖體采用摩爾-庫倫彈塑性單元，錨桿錨索采用 cable 結(jié)構(gòu)單元模擬[2]，模擬不同支護(hù)方案下的圍巖控制效果[1]。模擬方案：①原支護(hù)方案，頂板支護(hù)阻力為0.23 MPa/m2；②補(bǔ)強(qiáng)方案一，頂板錨桿每排增加6根，即錨桿間排距變?yōu)?50 mm×1 000 mm，每?jī)膳佩^桿間增加一排錨索，錨索間排距變?yōu)?2 100 mm×1 000 mm，頂板支護(hù)阻力為0.46 MPa/m2；③補(bǔ)強(qiáng)方案二，頂板錨桿每排增加到24根，間排距變?yōu)?10 mm×1 000 mm ，錨索在方案一的基礎(chǔ)上每排增加到6根，錨索間排距變?yōu)?00×1 000 mm，頂板支護(hù)阻力為0.69 MPa/m2。模擬結(jié)果如圖3和表1所示。

圖3 不同支護(hù)方案圍巖塑性破壞云圖

表1 不同支護(hù)方案下圍巖變形量

由圖3及表1可知，在原有支護(hù)方案條件下，巷道頂板和兩幫塑性破壞范圍較大，頂板下沉量較大，采取補(bǔ)強(qiáng)方案一支護(hù)后，頂板的塑性破壞范圍減小40%，兩幫塑性破壞區(qū)減小75%，頂板下沉量減小69.8%，兩幫移進(jìn)量減小54%，圍巖的穩(wěn)定性顯著提高；采取方案二，巷道圍巖的塑性區(qū)基本未發(fā)生變化，頂板下沉量比方案一降低了23.8%，兩幫移進(jìn)量降低了13.3%，圍巖的位移量略有減小。綜上分析可知，在3204輔助運(yùn)輸巷采取頂板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的方式能夠有效提高圍巖的穩(wěn)定性，減少頂板的下沉量。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果分析

4.1 3204輔助運(yùn)輸巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

根據(jù)以上分析，決定在3204工作面停采線位置后方1 200 m范圍內(nèi)的輔助運(yùn)輸巷采取補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施。由于每排錨桿增加到12根施工起來較困難，并且頂板塑性破壞范圍較小，頂板下沉主要是由于頂板離層引起的，因此應(yīng)以“防懸頂”為重點(diǎn)[3-4]，設(shè)計(jì)采用D22 mm×8 000 mm的高強(qiáng)錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，在原有每排3根錨索基礎(chǔ)上補(bǔ)打兩根錨索，并在沒有布置錨索的兩排錨桿之間增加一排錨索，即錨索最終布置形式為“五三五”，錨索排距為1 000 mm，每排5根錨索的間距為1 050 mm，每排3根錨索的間距為2 100 mm，均垂直頂板安裝，錨固方式與原有支護(hù)方案相同，補(bǔ)強(qiáng)后頂板支護(hù)方案如圖4所示。

4.2 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)效果

為考察3204輔助運(yùn)輸巷頂板采用錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的效果，3204工作面回采期間，在3204輔助運(yùn)輸巷距離工作面停采線700～1 000 m內(nèi)設(shè)置圍巖位移監(jiān)測(cè)站，整理后得到如圖5(b)所示結(jié)果。由圖5可知，采取補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后，3204輔助運(yùn)輸巷在3204工作面采動(dòng)影響下圍巖的變形量明顯減小，頂?shù)装逑鄬?duì)移近量最大約16.0 cm，平均約12.0 cm，由此可見采用錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)有效控制了一次采動(dòng)影響下留巷頂板的過度下沉，取得了良好的支護(hù)效果。

圖4 頂板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案(mm)

圖5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果觀測(cè)

5 結(jié) 語

伏巖煤業(yè)3204工作面回采期間其輔助運(yùn)輸巷圍巖出現(xiàn)明顯的失穩(wěn)現(xiàn)象，通過現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)及理論分析，得知巷道圍巖主要失穩(wěn)形式為頂板下沉，主要變形區(qū)段為工作面后方420～190 m范圍內(nèi)，由此對(duì)距離停采線1 200 m范圍內(nèi)的巷道頂板進(jìn)行了加固，采取補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后，3204輔助運(yùn)輸巷在3204工作面采動(dòng)影響下圍巖的變形量明顯減小，頂?shù)装逑鄬?duì)移近量最大約16.0 cm，平均約12.0 cm，能夠滿足其作為3206工作面回風(fēng)巷的斷面需求，取得了良好的應(yīng)用效果。