綜采工作面采動壓力影響下巷道支護(hù)技術(shù)研究

袁亞文

(陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

煤礦綜采工作面在回采過程中，回采巷道受到采動壓力影響，圍巖受到明顯擾動，巷道收斂變形較大，甚至造成圍巖破壞，大大降低圍巖穩(wěn)定性。王金華[1]應(yīng)用 FLAC3D數(shù)值模擬軟件，研究了煤巷變形特點與主要影響因素，提出錨桿(索)載荷對改善煤巷圍巖受力狀態(tài)起到的關(guān)鍵作用；常聚才等[2]針對錨桿預(yù)緊力對巖石巷道支護(hù)效果的影響，理論推導(dǎo)出了巷道圍巖位移、應(yīng)力分布與錨桿預(yù)緊力之間的關(guān)系；李書民等[3]采用理論分析和工程類比的方法，研究了深部大斷面高應(yīng)力下煤巷聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，指出提高錨桿預(yù)應(yīng)力，加強錨桿、錨索支護(hù)能降低巷道圍巖受力變形，增強巷道的穩(wěn)定性。

在綜采工作面超前支承壓力作用下，巷道收斂嚴(yán)重，頂板支護(hù)失效較多，嚴(yán)重影響綜采工作面安全回采。以黃陵礦業(yè)公司一號煤礦805工作面回采期間設(shè)置觀測點為例，分析巷道受到采動壓力影響而變形破壞的原因，提出錨桿(索)聯(lián)合支護(hù)方案，通過現(xiàn)場工業(yè)試驗進(jìn)行研究。

1 概況

黃陵一號煤礦地處陜西省黃隴侏羅紀(jì)煤田黃陵礦區(qū)的東北部，隸屬于黃陵礦業(yè)有限公司，位于陜西省黃陵縣店頭鎮(zhèn)，是國家“八五”重點建設(shè)項目和20項興陜工程之一。一號煤礦煤炭資源豐厚，井田面積197.5 km2，地質(zhì)儲量4.4億t，可采儲量3.5億t，采用平硐單水平分區(qū)式開拓方式，走向長壁采煤法，全部垮落法管理頂板，礦井生產(chǎn)能力為0.6 Mt/a。

805工作面位于八盤區(qū)西翼，東接八盤區(qū)進(jìn)風(fēng)巷，南部為803工作面，西部為井田邊界。工作面對應(yīng)上覆地表為低山林區(qū)，回采對地面無影響。工作面布置兩條回采巷道，其中805進(jìn)風(fēng)順槽1 365 m，回風(fēng)順槽1 360 m，工作面寬度235 m，煤層平均厚度3.4 m，2號煤為工作面范圍內(nèi)唯一可采煤層。覆巖老頂為深灰色、細(xì)密、較硬的細(xì)粒砂巖，平均厚度11.6 m，中厚層狀，有斷續(xù)波狀層理，具黑色條帶，端口不平，層面富集云母碎片。直接頂為灰黑色、薄層狀的砂質(zhì)泥巖，平均厚度5.6 m，中下部有黃鐵礦薄膜，為不穩(wěn)定、易冒落頂板。偽頂主要為薄層狀泥質(zhì)粉砂巖或砂質(zhì)泥巖，厚度均在0.5 m以下，隨采隨落。

2 巷道支護(hù)機理

2.1 受采動壓力影響巷道圍巖變形力學(xué)因素分析

綜采工作面回采導(dǎo)致上覆巖層的原巖應(yīng)力場的平衡狀態(tài)失去穩(wěn)定，工作面采空區(qū)上覆巖層壓力重新分布，在采空區(qū)周圍形成新的支承壓力帶(應(yīng)力分布如圖1所示)，應(yīng)力不僅集中在周圍煤柱上，還會繼續(xù)向底板深處傳遞。根據(jù)最大水平應(yīng)力理論，在圍巖層狀特征突出的回采巷道內(nèi)，鉛垂應(yīng)力向兩幫轉(zhuǎn)移，主要顯現(xiàn)于兩幫，導(dǎo)致兩幫的破壞；水平應(yīng)力向底板轉(zhuǎn)移，主要顯現(xiàn)于底板巖層，表現(xiàn)為巷道底鼓。因此，需要借助錨桿(索)聯(lián)合支護(hù)來控制巷道圍巖變形。

1-工作面前方支撐壓力；2、3、4-沿傾斜、沿仰斜及工作面后方支撐壓力

2.2 錨桿(索)對圍巖的支護(hù)作用

錨桿支護(hù)的作用是盡量讓圍巖處在受壓狀態(tài)，最大程度地使錨固區(qū)圍巖保持穩(wěn)定，阻止錨固區(qū)圍巖破壞范圍擴大，不讓巷道出現(xiàn)剪切、拉伸破壞與彎曲變形，提高巷道周圍巖層的穩(wěn)定性與整體強度[4-7]。

錨索支護(hù)一方面是因為錨索產(chǎn)生的強大作用力，使巖體中的不連續(xù)面互相擠壓，使圍巖的整體性提高，抗剪強度增加；另一方面，通過錨索將錨桿形成的加固體與深部巖體連成一個整體，由此巖體的承載范圍加大，承載能力極強。

錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)不是單一支護(hù)的簡單疊加，而是通過對不同層位巖體的支護(hù)耦合，實現(xiàn)對圍巖的變形協(xié)調(diào)，從而限制圍巖產(chǎn)生的有害變形，提高支護(hù)體的力學(xué)參數(shù)(彈性模量、等效內(nèi)聚力、等效內(nèi)摩擦角)，改善被支護(hù)巖體的力學(xué)性能；使巷道圍巖處于峰后區(qū)圍巖強度得到強化，提高峰值強度和殘余強度；同時可改變圍巖應(yīng)力狀態(tài)，提高圍巖承載能力，減少巷道周圍破碎區(qū)、塑性區(qū)的范圍和巷道表面位移，控制圍巖破碎區(qū)、塑性區(qū)的發(fā)展，從而達(dá)到巷道穩(wěn)定的目的。

3 確定支護(hù)方案及支護(hù)參數(shù)

3.1 確定支護(hù)方案

錨桿支護(hù)利用錨桿、錨固劑及其護(hù)表構(gòu)件給圍巖一定的支護(hù)強度，與圍巖組成支護(hù)體系，承受各種圍巖應(yīng)力和采動應(yīng)力。錨索具有錨固深度大、錨固力大、可施加較大預(yù)緊力的優(yōu)點，端部錨索主要起懸吊作用，通過施加較大的預(yù)緊力，擠緊和壓實巖層中的層理、節(jié)理、裂隙等不連續(xù)面，增加不連續(xù)面之間摩擦力，從而提高圍巖的整體強度[8]。

巷道掘進(jìn)后安裝錨桿，形成錨-巖支護(hù)承載體，通過錨-巖支護(hù)承載體發(fā)生大變形，可釋放圍巖變形能，然后通過錨索聯(lián)合支護(hù)，提高整體穩(wěn)定性，整個過程，既可起到柔性卸壓作用，又可發(fā)揮支護(hù)體各自優(yōu)勢。只要保障錨桿、錨索材質(zhì)、支護(hù)構(gòu)件強度、支護(hù)預(yù)緊力及支護(hù)時間到位，可大大改善錨桿支護(hù)的性能，達(dá)到控制破碎圍巖大變形的目的。配合使用鋼帶和網(wǎng)片，確保錨桿預(yù)緊力均衡分布，阻止圍巖松動圈由淺向深擴大，提高支護(hù)的整體性。

由上可知，錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)是適用于煤礦巷道頂板維護(hù)的合理方式，是充分發(fā)揮錨桿、錨索等支護(hù)構(gòu)件的支護(hù)特點，并非簡單的支護(hù)效果累加，而是互相補充，形成整體支護(hù)結(jié)構(gòu)，達(dá)到支護(hù)效果最佳狀態(tài)。因此，采用“錨桿(索)聯(lián)合支護(hù)”方案，能夠?qū)崿F(xiàn)巷道支護(hù)需求，實現(xiàn)頂板安全回采[9-10]。

3.2 確定巷道支護(hù)參數(shù)

805進(jìn)風(fēng)順槽支護(hù)采用錨桿+錨索梁+塑鋼網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)方式，如圖2所示。錨桿為φ20 mm×2 500 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，每孔消耗3節(jié)L=350 mm樹脂，錨桿托盤尺寸200 mm×200 mm×12 mm，頂錨桿間排距800 mm×800 mm，“六-六”矩形布置，幫錨桿間排距700 mm×1 000 mm，“四-四”矩形布置，兩幫部各增加1根長度為2.6 m的T140型鋼帶；錨索梁長4 200 mm，排距800 mm，一梁四索，鋼絞線規(guī)格為φ17.8 mm×10 300 mm鋼絞線，每孔消耗L=700 mm樹脂3節(jié)；頂、幫部掛塑鋼網(wǎng)。

圖2 進(jìn)風(fēng)順槽巷道支護(hù)斷面

805回風(fēng)順槽支護(hù)采用錨桿+錨索梁+塑鋼網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)方式，如圖3所示。錨桿為φ20 mm×2 500 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，每孔消耗3節(jié)L=350 mm樹脂，錨桿托盤尺寸200 mm×200 mm×12 mm，頂錨桿間排距800 mm×800 mm，“六-六”矩形布置，幫錨桿間排距700 mm×1 000 mm，“四-四”矩形布置；錨索梁長4 200 mm，排距1 600 mm，一梁四索，鋼絞線規(guī)格為φ17.8 mm×8 300 mm鋼絞線，每孔消耗L=700 mm樹脂3節(jié)；頂、幫部掛塑鋼網(wǎng)。

圖3 回風(fēng)順槽巷道支護(hù)斷面

4 巷道觀測

4.1 巷道頂板離層觀測

設(shè)置巷道頂板離層觀測點：在805工作面進(jìn)、回風(fēng)順槽距開切眼250 m處設(shè)置頂板離層觀測點，各安設(shè)1組頂板離層儀器，記錄該組離層儀隨著工作面回采推進(jìn)過程中的離層數(shù)據(jù)，綜合分析工作面回采期間進(jìn)、回風(fēng)順槽試驗離層儀數(shù)據(jù)。

進(jìn)風(fēng)順槽頂板離層規(guī)律分析：進(jìn)風(fēng)順槽在距回采工作面63 m以外，頂板累計位移量變化不大，可認(rèn)為頂板基本上處于穩(wěn)定狀態(tài)，沒有發(fā)生離層現(xiàn)象，監(jiān)測數(shù)據(jù)變化曲線，如圖4所示。在距回采工作面63 m以內(nèi)，隨著工作面的推進(jìn)，頂板位移量都不斷增加，淺部基點處累計位移量最大為27 mm，深部基點累計位移量最大為30 mm。

圖4 805進(jìn)風(fēng)順槽頂板離層監(jiān)測數(shù)據(jù)變化曲線

回風(fēng)順槽頂板離層規(guī)律分析：回風(fēng)順槽在距回采工作面51 m以外，頂板累計位移量變化不大，可認(rèn)為頂板基本上處于穩(wěn)定狀態(tài)，沒有發(fā)生離層現(xiàn)象，監(jiān)測數(shù)據(jù)變化曲線如圖5所示。在距回采工作面51 m以內(nèi)，隨著工作面的推進(jìn)，頂板累計位移量都不斷增加，淺部基點處累計位移量最大為24 mm，深部基點累計位移量最大為28 mm。

圖5 805回風(fēng)順槽頂板離層監(jiān)測數(shù)據(jù)變化曲線

4.2 巷道收斂觀測

設(shè)置巷道收斂觀測點：在805工作面進(jìn)、回風(fēng)順槽距切眼100 m巷道內(nèi)布置20個測點，每個測點間距5 m，采用十字布點法對進(jìn)風(fēng)順槽的頂板下沉量、底鼓量及幫部移近量進(jìn)行觀測，如圖6、7所示。

圖6 805進(jìn)風(fēng)順槽收斂變化趨勢

兩順槽收斂規(guī)律分析：通過觀測分析可知，隨著805工作面正常推采，受超前采動壓力影響，進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)順槽巷道頂?shù)装逡平孔畲缶怀^400 mm；幫部移近量不超過60 mm，且巷道收斂變形主要集中在煤壁前方50 m范圍內(nèi)，50～100 m范圍巷道收斂量逐漸趨于0，在觀測期間兩順槽安全出口暢通，巷道收斂量均在可控范圍內(nèi)，說明巷道的永久支護(hù)均能夠滿足實際生產(chǎn)需求。另外巷道頂?shù)装逡平恐饕憩F(xiàn)為巷道底鼓，約占總量的85%，最大移近量達(dá)320 mm。巷道底板為開放型支護(hù)管理，受超前支承壓力影響底鼓，落底后能夠滿足回采巷道使用要求。

圖7 805回風(fēng)順槽收斂變化趨勢

5 結(jié)論

綜采工作面回采巷道受超前支承壓力影響后，容易導(dǎo)致圍巖中應(yīng)力超過其承載極限，從而導(dǎo)致巷道圍巖支護(hù)困難。通過分析805工作面兩順槽頂板離層、巷道收斂數(shù)據(jù)說明，頂板下沉及幫部收斂變形量小，錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)設(shè)計合理，支護(hù)強度能夠滿足安全使用需要，805工作面錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)與鋼帶、金屬網(wǎng)聯(lián)合使用，能很大程度提高巷道支護(hù)質(zhì)量，針對具體問題，提出合理的支護(hù)參數(shù)，可以很大程度上解決煤礦井下巷道維護(hù)困難的問題，保證巷道圍巖穩(wěn)定，實現(xiàn)煤礦安全高效的開采。