伏巖煤業(yè)3202(上)工作面軟弱頂板回采巷道圍巖控制技術(shù)研究

李晉軍

(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)開采的3號煤層均厚為4.96 m，平均傾角4°，煤層賦存穩(wěn)定，硬度為1.2，采用分層開采方式。煤層直接頂為粉砂質(zhì)泥巖，均厚12.67 m，基本頂為細(xì)粒砂巖，均厚3.5 m；直接底為炭質(zhì)泥巖，均厚0.6 m，基本底為砂質(zhì)泥巖，均厚4.5 m。3202(上)工作面位于二采區(qū)，該工作面頂板屬于厚層軟弱頂板類型，由于礦井為煤與瓦斯突出礦井，初步設(shè)計(jì)中二采區(qū)工作面采用“兩進(jìn)兩回”的通風(fēng)方式，上區(qū)段工作面進(jìn)風(fēng)巷沿空留巷作為下區(qū)段工作面的輔助回風(fēng)巷使用，初步設(shè)計(jì)中回采巷道間的煤柱寬度為16 m。

二采區(qū)3201(上)工作面為3202(上)工作面的臨近工作面，兩工作面地質(zhì)條件基本相同，3201(上)工作面回采巷道煤柱寬度為17 m，運(yùn)輸與回風(fēng)巷斷面尺寸相同，凈高×凈寬=3 200 mm×4 500 mm，均采用錨網(wǎng)索支護(hù)，頂板及兩幫均采用D20 mm×2 400 mm的錨桿，間排距均為1 000 mm×1 000 mm，頂板錨索采用D21.6 mm×8 300 mm的鋼絞線，間排距為2 000 mm×2 000 mm，用10號菱形金屬網(wǎng)進(jìn)行護(hù)幫護(hù)頂，具體支護(hù)斷面如圖1所示。根據(jù)礦壓觀測數(shù)據(jù)可知，運(yùn)輸巷及回風(fēng)巷在掘進(jìn)期間巷道頂?shù)装寮皟蓭推骄冃瘟吭?.6～1.0 m， 工作面回采期間巷道頂?shù)装寮皟蓭妥畲笞冃瘟烤^了1.5 m，影響了工作面的正?；夭勺鳂I(yè)，根據(jù)工作面實(shí)測知回采巷道的煤柱支撐應(yīng)力峰值為14～18 m。為保證3202(上)工作面回采巷道的穩(wěn)定，需對回采巷道的煤柱及支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 3201(上)工作面回采巷道原有支護(hù)斷面(mm)

2 軟弱頂板控制技術(shù)

錨桿支護(hù)技術(shù)在巷道圍巖控制中大范圍使用，錨桿能夠改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，在一定程度上調(diào)節(jié)圍巖的應(yīng)力分布，同時(shí)錨桿還能夠在錨固層位上與煤巖體形成一定的錨固體，進(jìn)而使得圍巖體自身能夠發(fā)揮最大的自承能力。但對厚層軟弱頂板，在使用錨桿索支護(hù)技術(shù)時(shí)，需要進(jìn)行兩個(gè)方面的優(yōu)化：

1) 須充分強(qiáng)化保障頂板承載結(jié)構(gòu)。由于厚層軟弱頂板巷道，其頂板下沉量較大，且易出現(xiàn)頂板整體下沉的現(xiàn)象，故對厚層軟弱頂板進(jìn)行支護(hù)時(shí)，應(yīng)加大頂板的錨固范圍，在頂板形成有效的加固厚度，提高頂板錨固區(qū)的強(qiáng)度和剛度，進(jìn)而有效控制住頂板淺部圍巖的擴(kuò)容與松動(dòng)現(xiàn)象；對于厚層軟弱頂板，存在錨索無法錨固到堅(jiān)硬頂板的現(xiàn)象，基于該特點(diǎn)需縮小錨索的間距，使各根錨索之間形成的壓應(yīng)力區(qū)域相互疊加，進(jìn)而將壓應(yīng)力區(qū)域有效聯(lián)結(jié)為一個(gè)整體，從而在頂板上形成一個(gè)具有一定承載能力的加固拱[1-2]，如圖2所示。

2) 強(qiáng)化幫部承載能力，保障頂幫協(xié)同支護(hù)。在巷道頂板下沉的過程中，頂板壓力會(huì)不斷地向兩幫煤體進(jìn)行轉(zhuǎn)移，使巷道的兩幫出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，兩幫煤體出現(xiàn)大范圍的失穩(wěn)破壞，會(huì)進(jìn)一步惡化頂板的受力狀態(tài)，使頂板進(jìn)一步出現(xiàn)下沉。為有效控制厚層軟弱頂板的整體下沉，需加強(qiáng)幫部的支護(hù)，由于兩幫煤體的強(qiáng)度較低，且?guī)筒康钠茐男问街饕獮槊后w交界面的滑移和壓剪破壞，據(jù)此針對厚層軟弱頂板煤幫的加固，可通過采用錨桿與短錨索聯(lián)合支護(hù)的形式，提高巷道幫部的強(qiáng)度，具體其支護(hù)機(jī)理如圖3所示，提高幫部的支護(hù)強(qiáng)度能夠有效控制兩幫變形量，同時(shí)控制頂板下沉量[3-4]，以此形成巷道強(qiáng)幫護(hù)頂?shù)恼w支護(hù)形式。

圖2 厚層軟弱頂板錨索加固拱示意

圖3 軟弱頂板幫部短錨索與錨桿支護(hù)示意

3 圍巖控制方案及效果

3.1 煤柱寬度優(yōu)化

3202(上)工作面回采巷道間原設(shè)計(jì)煤柱寬度為16 m，為確定3202(上)工作面運(yùn)輸巷與進(jìn)風(fēng)巷，回風(fēng)巷與輔助回風(fēng)巷間的合理煤柱寬度，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行分析，建立的模型長×高×寬=150 m×130 m×10 m，固定模型底部及兩側(cè)的位移，并根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件進(jìn)行巖層各參數(shù)的賦值，分別模擬回采巷道煤柱寬度為4～9 m條件下，回采巷道圍巖的變形規(guī)律，如圖4所示。

由圖4可知，巷道兩幫的變形量隨著煤柱寬度的增大，出現(xiàn)先增大后逐漸減小的趨勢，當(dāng)煤柱寬度由4 m增大至9 m過程中，煤柱幫的變形量出現(xiàn)先增大后逐漸穩(wěn)定的趨勢，實(shí)體煤幫的變形量由467 mm減小到422 mm，變化不明顯，當(dāng)煤柱寬度增大到6 m后，煤柱幫的變形量基本穩(wěn)定在約13 600 mm；巷道頂?shù)装宓淖冃瘟侩S著煤柱寬度的增大，總體上呈減小的趨勢，底板的鼓起量在煤柱寬度為5 m時(shí)最大，達(dá)到523 mm，隨后減小到432 mm。綜上分析，當(dāng)煤柱寬度大于6 m時(shí)，即能夠保障巷道圍巖的穩(wěn)定，結(jié)合3202工作面的具體地質(zhì)條件，綜合確定回采巷道間煤柱的寬度為8 m。

圖4 不同煤柱寬度下巷道圍巖變形量

3.2 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)厚層軟弱頂板控制技術(shù)的原理，結(jié)合工作面的具體情況對3202(上)工作面進(jìn)風(fēng)巷的支護(hù)方案進(jìn)行具體設(shè)計(jì)：

1) 頂板支護(hù)。頂板錨桿采用D20 mm×2 400 mm的無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×1 000 mm，錨固形式為端頭錨固，采用K2335樹脂錨固劑和Z2360錨固劑各一卷，錨桿預(yù)緊力大于300 N·m；錨索采用D21.6 mm×8 300 mm的高強(qiáng)低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，間排距為1 200 mm×2 000 mm，采用1卷K2335和2卷Z2360型樹脂錨固劑端頭錨固，預(yù)緊力為200 kN，錨索托盤采用150 mm×150 mm×10 mm的蝶形托盤與300 mm×300 mm×10 mm的方托盤進(jìn)行配合使用。

2) 兩幫支護(hù)。錨桿采用D20 mm×2 400 mm的無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為750 mm×1 000 mm，預(yù)緊力大于300 N·m，錨桿間采用鋼筋梯子梁進(jìn)行連接，鋼筋梯子梁規(guī)格為2 000 mm×88 mm，采用D14 mm的Q235圓鋼焊接而成；短錨索采用D17.8 mm×5 300 mm高強(qiáng)低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，間排距為1 500 mm×2 000 mm，預(yù)緊力為150 kN，采用1卷K2335和2卷Z2360型樹脂錨固劑端頭錨固。支護(hù)方案如圖5所示。

圖5 3202(上)工作面進(jìn)風(fēng)巷支護(hù)斷面(mm)

3.3 效果分析

為有效驗(yàn)證3202(上)工作面煤柱優(yōu)化和采用支護(hù)方案后圍巖的控制效果，在3202(上)工作面回采期間，采用十字布點(diǎn)法對巷道圍巖的變形情況進(jìn)行了觀測，觀測結(jié)果如圖6所示。

圖6 工作面回采期間圍巖變形量

由圖6可知，巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟侩S著距工作面距離的減小而逐漸增大，隨著回采作業(yè)的進(jìn)行，巷道與工作面的距離由150 m減小到-200 m時(shí)，頂?shù)装逡平坑?0 mm增大到750 mm，在頂?shù)装逡平恐?，頂板下沉量較小，在巷道滯后工作面-200 m的位置處，頂板下沉量達(dá)到最大值為37 mm；隨著工作面的回采作業(yè)，巷道兩幫的移近量也逐漸增大，在滯后工作面200 m的位置處，巷道兩幫的移近量達(dá)到最大值為630 mm，其中實(shí)體幫變形量為280 mm，煤柱幫的變形量為350 mm，據(jù)此可知，3202(上)工作面進(jìn)行煤柱寬度優(yōu)化和采用厚層軟弱頂板控制技術(shù)后，保障了頂板的穩(wěn)定，有效解決了巷道圍巖變形量大的問題。