8809工作面過(guò)空巷覆巖失穩(wěn)規(guī)律及圍巖控制技術(shù)研究

祁 航

（大同煤礦集團(tuán)臨汾宏大豁口煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041000）

1 工程概況

同煤集團(tuán)臨汾宏大豁口煤業(yè)有限公司8809工作面位于1026水平308盤(pán)區(qū)，工作面設(shè)計(jì)走向910m，可采走向長(zhǎng)度590m，傾斜長(zhǎng)度為120m（切眼 0～280m）、190m（280～590m）。工作面主采9#+10#煤層，煤層厚度為5.4～5.6m，均厚5.5m，平均傾角11°。煤層直接頂為K2灰?guī)r，均厚10.11m，直接底為泥巖，均厚2.5m，基本底為K1石英砂巖。

根據(jù)8809工作面掘進(jìn)作業(yè)時(shí)兩順槽揭露情況，工作面內(nèi)有4條舊空巷。其中J09-01空巷平均寬×高=5m×3m，長(zhǎng)262m；J09-02空巷平均寬×高=5m×3m，長(zhǎng)230m；J09-03舊空巷平均寬×高=7m×4m，貫穿整個(gè)工作面；J09-04舊巷平均寬×高=8m×2.95m，貫穿整個(gè)工作面。為保障工作面回采通過(guò)空巷區(qū)域時(shí)的安全生產(chǎn)，急需對(duì)工作面過(guò)空巷時(shí)的覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律及圍巖控制技術(shù)進(jìn)行研究。

2 覆巖失穩(wěn)規(guī)律分析

在回采工作面回采通過(guò)空巷區(qū)域時(shí)，空巷上方的頂板巖層中的基本頂中部及兩端對(duì)稱(chēng)位置處會(huì)自上而下逐漸發(fā)育成拱狀的裂隙帶，同時(shí)會(huì)在縱向形成縱向裂隙帶，但形成的裂隙帶并不會(huì)對(duì)基本頂?shù)膸r層的全厚進(jìn)行貫通[1-2]。當(dāng)工作面推進(jìn)過(guò)空巷時(shí)，工作面基本頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 回采通過(guò)空巷區(qū)域時(shí)基本頂?shù)钠茢嗵卣魇疽鈭D

通過(guò)圖1可知，當(dāng)工作面與空巷之間的距離逐漸減小時(shí)，工作面與空巷間的煤柱會(huì)逐漸減小，煤柱在上覆基本頂巖層破斷載荷的作用下會(huì)逐漸出現(xiàn)塑性破壞，工作面前方煤體承受著較大的覆巖集中應(yīng)力的作用。故影響煤柱和空巷穩(wěn)定性的主要巖層為工作面前方及前方一定距離的關(guān)鍵塊體B。隨著工作面的進(jìn)一步向前推進(jìn)，此時(shí)基本頂會(huì)出現(xiàn)周期來(lái)壓現(xiàn)象，關(guān)鍵塊體B會(huì)逐漸彎曲下沉，進(jìn)而會(huì)進(jìn)一步造成煤柱與空巷的應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而導(dǎo)致煤柱完全進(jìn)入塑性狀態(tài)，空巷圍巖失穩(wěn)，給工作面的安全生產(chǎn)造成隱患[3-4]。

為研究8809工作面在推進(jìn)通過(guò)空巷區(qū)域時(shí)頂板覆巖的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，采用UDEC數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬分析。建立模型×高=120m×80m，設(shè)置模型開(kāi)采高度為5.5m，設(shè)置模型側(cè)邊的位移條件被限制，固定底板位移，并在模型上部施加上覆巖層的重量6.25MPa。采用J09-01空巷的斷面，在模型中設(shè)置空巷寬×高=5m×3m，設(shè)置工作面每次回采的開(kāi)挖長(zhǎng)度為2m，設(shè)置空巷與工作面開(kāi)切眼間的間距為34m。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果能夠得出工作面推進(jìn)不同距離時(shí)圍巖裂隙場(chǎng)的演化規(guī)律，工作面推進(jìn)8m、16m、20m、24m時(shí)裂隙場(chǎng)的分布規(guī)律如圖2所示。

圖2 工作面推進(jìn)不同距離時(shí)圍巖裂隙場(chǎng)的分布規(guī)律

通過(guò)具體分析圖2可知，工作面推進(jìn)8m時(shí)，與空巷間距為26m，上覆基本頂中部開(kāi)始出現(xiàn)裂隙交錯(cuò)發(fā)育的現(xiàn)象，并在空巷頂板和工作面的頂板區(qū)域形成了拱狀的裂隙帶，但基本頂并未發(fā)生破壞；工作面推進(jìn)16m時(shí)，與空巷間距為18m，裂隙出現(xiàn)逐漸擴(kuò)大的現(xiàn)象，煤柱上覆基本頂?shù)目v向裂隙帶的范圍逐漸減小，同時(shí)在工作面上覆巖層和煤柱上出現(xiàn)破斷現(xiàn)象；工作面推進(jìn)20m時(shí)，與空巷間距為14m，工作面上覆基本頂巖層與煤柱之間的裂隙已經(jīng)出現(xiàn)相互貫通的現(xiàn)象，空巷區(qū)域基本頂出現(xiàn)局部垮落的現(xiàn)象，工作面的拱形裂隙帶與空巷頂板拱形裂隙帶出現(xiàn)一定的重合區(qū)域，此時(shí)空巷區(qū)域的圍巖出現(xiàn)失穩(wěn)的現(xiàn)象；工作面推進(jìn)26m時(shí)，與空巷間距為8m，此時(shí)工作面與空巷的拱形裂隙帶已經(jīng)完全重合，在空巷的前端和工作面后方區(qū)域的縱向裂隙帶已經(jīng)擴(kuò)展至基本頂?shù)牡锥?，上覆基本頂壓力拱的結(jié)構(gòu)已經(jīng)完全失穩(wěn)，上覆巖層隨著基本頂?shù)膹澢鲁烈餐匠霈F(xiàn)變形下沉現(xiàn)象。

綜合上述分析可知，隨著回采作業(yè)的進(jìn)行，工作面頂板與空巷的頂板區(qū)域均會(huì)形成拱狀的裂隙帶，且隨著煤柱寬度的減小，拱狀裂隙區(qū)域會(huì)逐漸重疊。當(dāng)出現(xiàn)重疊區(qū)域時(shí)，煤柱基本處于塑性破壞狀態(tài)。當(dāng)工作面回采推進(jìn)至與空巷距離小于14m時(shí)，煤柱與基本頂巖層的裂隙出現(xiàn)了相互貫通的現(xiàn)象，不能保障巷道圍巖的穩(wěn)定，故應(yīng)在工作面與空巷間的距離大于14m時(shí)，針對(duì)空巷圍巖進(jìn)行支護(hù)，以保障工作面順利通過(guò)空巷區(qū)域。

3 圍巖控制技術(shù)

3.1 控制方案設(shè)計(jì)

為保障8809工作面能夠順利通過(guò)空巷區(qū)域，在工作面與空巷間隔30m時(shí)完成空巷內(nèi)的支護(hù)。為有效防止工作面超前支撐壓力作用下空巷頂板出現(xiàn)冒頂、壓架的現(xiàn)象，特對(duì)J09-01和J09-02空巷采取錨網(wǎng)索+工字鋼梁的綜合支護(hù)方式，對(duì)J09-03和J09-04空巷采用預(yù)充填技術(shù)。具體方案如下：

（1）J09-01和J09-02空巷控制技術(shù)

由于J09-01和J09-02空巷斷面尺寸相對(duì)較小，采用錨網(wǎng)索+工字鋼梁的支護(hù)方式，保障工作面順利通過(guò)該區(qū)域的空巷。

錨桿為巷道內(nèi)原有的錨桿，頂板錨桿型號(hào)為Φ18mm×2100mm的螺紋鋼錨桿，每個(gè)斷面內(nèi)布置3根，間排距為1200mm×1000mm。頂板錨索采用型號(hào)為Φ17.8mm×6500mm的1×7股鋼絞線，間排距為2000mm×2000mm。兩幫錨桿采用型號(hào)Φ16mm×1200mm的高強(qiáng)玻璃鋼錨桿，間排距為1200mm×1000mm，采用直徑6.5mm 的鋼筋編織成的網(wǎng)片，進(jìn)行空巷的護(hù)幫護(hù)頂作業(yè)。另外頂板使用11#工字鋼架棚支護(hù)，棚距為1000mm。如圖3所示。

當(dāng)工作面與空巷間的煤柱寬度小于20m后，在巷道內(nèi)部采用臨時(shí)支護(hù)，臨時(shí)支護(hù)采用單體支護(hù)配合聯(lián)鎖木垛進(jìn)行支護(hù)。在距離巷幫的兩側(cè)0.3m布置單體柱，設(shè)置排距為1.0m，并在巷道中間布置木垛，木垛支設(shè)的高度為空巷的高度3m，各層木垛間通過(guò)5m的大板進(jìn)行連接。

圖3 空巷內(nèi)支護(hù)方式布置示意圖

（2）J09-03和J09-04空巷控制技術(shù)

由于J09-02和J09-03斷面尺寸為寬×高=8m×2.95m、7m×4m，采用普通的錨網(wǎng)索支護(hù)并不能保障工作面順利通過(guò)空巷區(qū)域，特采用預(yù)充填技術(shù)進(jìn)行圍巖控制。在工作面距離空巷區(qū)域間的煤柱寬度為18m時(shí)進(jìn)行預(yù)充填，每個(gè)斷面上布置兩個(gè)鉆孔，分別為截割層注漿孔和承載層注漿孔。鉆孔的終孔位置分別位于截割層和垮落矸石層，設(shè)置鉆孔的仰角為6°～14°，鉆孔沿著工作面方向的排距為5m。截割層鉆孔在距離底板1.0m的位置處打設(shè)，承載層鉆孔在距離工作面底板1.5m的高度布置。具體空巷區(qū)域注漿鉆孔布置如圖4所示。

圖4 空巷充填注漿鉆孔布置方式示意圖

本次充填注漿作業(yè)使用的充填材料為高水充填材料，材料的水灰比為5:1，在進(jìn)行注漿作業(yè)時(shí)設(shè)置漿液的終孔注漿壓力為4～5MPa。本次注漿鉆孔的封孔材料使用水泥水玻璃，水泥漿水灰比為0.6:1，水泥漿與水玻璃漿液為1:1，封孔長(zhǎng)度為1.2m，當(dāng)封孔材料施工后2h后即可進(jìn)行開(kāi)泵注漿作業(yè)。單孔注漿量的多少根據(jù)空巷內(nèi)圍巖的具體情況確定，當(dāng)工作面或回采順槽內(nèi)出現(xiàn)大范圍的跑漿時(shí)，即可停止注漿作業(yè)。

3.2 效果分析

為有效驗(yàn)證工作面過(guò)空巷區(qū)域圍巖控制技術(shù)的效果，由于J09-03和J09-04空巷采用的預(yù)充填技術(shù)，工作面正常推進(jìn)通過(guò)該區(qū)域即可，現(xiàn)主要對(duì)工作面推進(jìn)通過(guò)J09-01空巷圍巖的變形量進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，具體驗(yàn)證J09-01空巷圍巖控制的效果。具體工作面回采期間空巷圍巖變形量如圖5所示。

圖5 空巷圍巖變形量曲線圖

通過(guò)具體分析圖5可知，空巷圍巖在工作面回采作用下出現(xiàn)先增大后逐漸穩(wěn)定的趨勢(shì)。在工作面與空巷間距為25m時(shí)，頂?shù)装寮皟蓭鸵平块_(kāi)始逐漸增大；當(dāng)工作面與空巷距離10m時(shí)，空巷的圍巖變形量達(dá)到最大值，頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平糠謩e為400mm和200mm；隨后隨著工作面的推進(jìn)，圍巖變形量?jī)H在很小的范圍內(nèi)出現(xiàn)變化?；诖?，可知空巷內(nèi)的圍巖控制技術(shù)能夠保障工作面順利通過(guò)空巷區(qū)域。

4 結(jié)論

根據(jù)8809工作面內(nèi)空巷分布的具體特征，通過(guò)具體分析工作面通過(guò)空巷區(qū)域時(shí)覆巖失穩(wěn)規(guī)律，采用數(shù)值模擬分析了工作面與空巷間不同間距時(shí)圍巖裂隙場(chǎng)的分布規(guī)律。結(jié)合工作面空巷的特征，提出J09-01和J09-02空巷采取錨網(wǎng)索+工字鋼梁的綜合支護(hù)方式，J09-03和J09-04空巷采用預(yù)充填控制技術(shù)。該空巷圍巖控制技術(shù)保障了工作面順利通過(guò)空巷區(qū)域。