3417 工作面沿空留巷松軟圍巖變形規(guī)律及圍巖控制研究

翟曉飛

（山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 晉中 030600）

1 工程概況

山西陽煤集團(tuán)新元煤業(yè)公司3417 工作面位于3#煤層西區(qū)，工作面南鄰西輔運(yùn)巷，東鄰未開采的3303 工作面，北鄰3306 工作面采空區(qū)，西鄰3416工作面采空區(qū)，如圖1 所示。工作面主采3#煤層，煤層均厚為2.35m，平均傾角為6°。煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，均厚8.94m；基本頂為粉砂巖，均厚為2.4m；直接底為泥質(zhì)砂巖，均厚為2.95m；基本底為細(xì)砂巖，均厚為1.6m。

3417 工作面輔助進(jìn)風(fēng)巷沿煤層頂板掘進(jìn)，巷道掘進(jìn)寬度為4.8m，掘進(jìn)高度為3.0m，巷道作為沿空留巷的巷道。由于3#煤層較為松軟，煤層直接頂為較為松軟的厚層砂質(zhì)泥巖，底板為泥巖，兩種巖層均具有膨脹性和可塑性等特征，在采動影響下，沿空留巷巷道松軟圍巖存在著圍巖變形量大、頂板易冒頂和支護(hù)難度大等問題。為保障沿空留巷圍巖的穩(wěn)定，進(jìn)行沿空留巷圍巖控制技術(shù)的分析。

圖1 3417 工作面位置示意圖

2 沿空留巷變形規(guī)律

為有效分析松軟圍巖沿空留巷作業(yè)時，在采動影響下圍巖的變形特征，對比分析松軟圍巖與中硬及硬度圍巖之間圍巖變形特征之間的區(qū)別，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，根據(jù)3417 工作面的具體地質(zhì)條件，建立長×寬×高=152.6m×300m×61.5m的模型。固定模型底板及兩側(cè)邊的位移，在模型上部施加上覆巖層的等效載荷[1-2]，約為10MPa 的垂直應(yīng)力。模擬時，依次進(jìn)行巷道開挖、工作面回采及充填體筑墻作業(yè)。在沿空留巷超前工作面30m 的位置處設(shè)置測線。

在進(jìn)行松軟、中硬和硬圍巖沿空留巷圍巖變形特征模擬分析時，通過調(diào)整煤層頂?shù)装鍘r層的各項力學(xué)參數(shù)進(jìn)行。具體不同圍巖條件下巖層物理力學(xué)參數(shù)賦值存在差異的巖層如表1 所示。

表1 不同圍巖條件下巖層物理力學(xué)參數(shù)差異表

根據(jù)不同圍巖條件下圍巖變形的數(shù)值模擬結(jié)果，能夠得出在超前工作面30m 位置處圍巖變形的具體情況，繪制出不同圍巖條件下頂板下沉、底板鼓起、煤柱幫水平位移和充填體水平位移量。具體圍巖變形量-距工作面距離的曲線如圖2 所示。

通過分析圖2 可知，沿空留巷在不同圍巖的采動影響下，巷道圍巖的變形量存在著明顯的差異，圍巖的變形量表現(xiàn)為硬圍巖的變形量<中硬圍巖的變形量<松軟圍巖的變形量。

根據(jù)圖2（a）可知，松軟圍巖留巷在采動影響下，從超前工作面30m 的位置處頂板下沉量開始逐漸增大，隨著回采作業(yè)的進(jìn)行，頂板下沉量和下沉速率均逐漸增大。當(dāng)留巷滯后工作面10 ～50m時，頂板下沉速率達(dá)到最大值，當(dāng)留巷滯后工作面50～90m 時，此時留巷的頂板下沉量逐漸趨于穩(wěn)定。中硬圍巖與硬圍巖呈現(xiàn)出相同的變形特征。留巷在超前工作面30m 的范圍內(nèi)，圍巖變形量較小，留巷頂板下沉速率同樣在滯后工作面10～50m 時達(dá)到最大值，在滯后工作面70m 后，頂板下沉速率逐漸減小，其中中硬圍巖最大的頂板下沉量為0.35m，硬圍巖的最大頂板下沉量為0.17m。

圖2 不同圍巖條件下沿空留巷圍巖變形特征

根據(jù)圖2（b）可知，松軟圍巖條件下，留巷圍巖在超前工作面30m 時，底板開始出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，當(dāng)留巷滯后工作面20m 范圍內(nèi)，此時底板鼓起量逐漸增大，變形速率逐漸增大，滯后工作面20 ～50 時，底板鼓起速率逐漸減小，在滯后工作面80m 時達(dá)到穩(wěn)定，最大值為0.39m。中硬圍巖與硬圍巖在超前工作面30m 范圍內(nèi)底鼓量較小，底鼓主要發(fā)生在滯后工作面30～50m 范圍內(nèi)，在滯后工作面60m 時，底鼓量達(dá)到穩(wěn)定。中硬圍巖與硬圍巖的最大底鼓量分別為0.397m 和0.178m。

根據(jù)圖2（c）和2（d）可知，不同圍巖條件下煤柱幫水平位移及充填體水平位移呈現(xiàn)出相同的變化趨勢。煤柱幫的水平位移主要出現(xiàn)在超前工作面30m 至滯后工作面30m 的范圍內(nèi)，充填體的水平位移主要出現(xiàn)在滯后工作面0 ～60m 的范圍內(nèi)，且松軟圍巖煤柱幫及充填體的水平位移量明顯大于中硬圍巖和硬圍巖。隨著圍巖強(qiáng)度的增大，煤柱幫及充填體的水平位移出現(xiàn)逐漸減小的趨勢。

3 圍巖控制技術(shù)

3.1 支護(hù)方案

根據(jù)上述不同圍巖條件下沿空留巷圍巖的變形特征知，巷道在松軟圍巖的條件下，頂?shù)装遄冃瘟枯^大，煤柱幫及充填體幫的圍巖變形量也比中硬及硬圍巖條件下的變形量大?；诖?，可知支護(hù)的重點為巷道頂板及煤柱幫，應(yīng)加強(qiáng)頂板及煤柱幫的支護(hù)強(qiáng)度，決定采用高強(qiáng)度、高預(yù)緊力的錨桿支護(hù)體系[3-4]。具體的支護(hù)方案如下：

（1）基本支護(hù)

頂板支護(hù)：錨桿采用Φ20mm×2400mm 的高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，間排距為800mm×900mm，采用端頭錨固，錨桿預(yù)緊力矩為250N·m，兩頂角的錨桿與頂板成15°布置，其余錨桿均垂直于巷道頂板布置。頂板錨索采用Φ21.6mm×10300mm 的1×7 股鋼絞線，間排距為1600mm×900mm，采用端頭錨固，錨索預(yù)緊力為240kN，錨桿索間通過Φ14mm 鋼筋焊制的鋼筋梯子梁進(jìn)行連接，并掛設(shè)菱形金屬網(wǎng)進(jìn)行護(hù)頂。

幫部支護(hù)：巷幫錨桿與頂板錨桿型號、參數(shù)相同，間排距為900mm×900mm，采用端頭錨固，錨桿預(yù)緊力為250N·m，幫部錨桿間同樣采用Φ14mm鋼筋焊制的鋼筋梯子梁進(jìn)行連接，菱形金屬網(wǎng)進(jìn)行護(hù)幫。

（2）補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

為充分保障巷道頂板及煤柱幫的穩(wěn)定性，在原有支護(hù)方案的基礎(chǔ)上，頂板補(bǔ)設(shè)3 根錨索。錨索規(guī)格為Φ21.6mm×8300mm 的預(yù)應(yīng)力混凝土鋼絞線，頂板補(bǔ)強(qiáng)錨索每排布置3 根，間排距為1750mm×1800mm， 預(yù) 緊 力 為240kN。 煤 柱幫補(bǔ)強(qiáng)錨索采用規(guī)格為Φ17.8mm×4200mm 的預(yù)應(yīng)力混凝土鋼絞線，每排布置2 根，間排距為1200mm×1800mm，錨索預(yù)緊力為140kN。同時在煤柱幫底角處補(bǔ)設(shè)一根錨桿，與巷幫成15°布置，錨桿規(guī)格為Φ20mm×2400mm高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，預(yù)緊力為250kN。

具體3417 工作面輔助進(jìn)風(fēng)巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后的斷面圖如圖3 所示。

圖3 3417 輔助進(jìn)風(fēng)巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后斷面圖

（3）充填體支護(hù)

3417 工作面松軟圍巖沿空留巷作業(yè)時，采用高水充填材料設(shè)置充填體，材料的水灰比為1.5:1，該水灰比下的材料強(qiáng)度為10MPa，設(shè)置充填體的寬度為2m。為保障充填體的穩(wěn)定性，在充填體上設(shè)置鋼筋網(wǎng)、對拉錨桿及鋼筋梯子梁。對拉錨桿規(guī)格為Φ20mm×2400mm，對拉錨桿間排距為750mm×800mm。具體充填體的支護(hù)方式如圖4所示。

圖4 巷旁充填體支護(hù)方式示意圖

3.2 效果分析

為驗證分析3417 工作面松軟圍巖沿空留巷作業(yè)的控制效果，在3417 工作面回采期間，在回采工作面對應(yīng)的留巷位置處布置礦壓監(jiān)測站，進(jìn)行持續(xù)礦壓監(jiān)測作業(yè)，得出圖5。

圖5 回采期間留巷圍巖變形曲線圖

分析圖5 可知，頂?shù)装宓淖冃沃饕l(fā)生在滯后工作面150m 的范圍內(nèi)。當(dāng)留巷監(jiān)測斷面滯后工作面150m 時，頂?shù)装逡平窟_(dá)343mm。隨著回采作業(yè)的進(jìn)行，頂?shù)装遄冃嗡俾手饾u減慢。當(dāng)留巷滯后工作面400m 時，頂?shù)装逡平炕静辉僭龃?。留巷兩幫移近量主要發(fā)生在滯后工作面400mm 范圍內(nèi)，其中在滯后工作面200 ～300m 的范圍內(nèi)，兩幫移近速率較大，在滯后工作面500m 后，兩幫移近量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，最終頂?shù)装寮皟蓭妥畲笠平糠謩e為452mm 和224mm。

4 結(jié)論

根據(jù)3417 工作面的沿空留巷松軟圍巖的具體條件，具體分析了不同圍巖條件下留巷圍巖的變形特征，得出圍巖在松軟條件下圍巖變形的具體特征，確定留巷期間應(yīng)加強(qiáng)對巷道煤柱幫及頂板的控制，并對具體支護(hù)方案進(jìn)行設(shè)計。根據(jù)礦壓監(jiān)測結(jié)果知，回采期間留巷頂?shù)装寮皟蓭妥畲笠平糠謩e為452mm和224mm，保障了沿空留巷松軟圍巖的穩(wěn)定。