綜采工作面回采巷道遇破碎頂板控制及管理

荊志星(沈陽焦煤雞西盛隆礦業(yè)有限責任公司雞東煤礦， 黑龍江 雞西 158100)

1 前言

巷道掘進揭露斷層、陷落柱等地質構造時，巷道頂板巖層破碎、本身承載能力較差，在圍巖應力、構造應力作用下巷道圍巖變形量較大、頂板容易出現(xiàn)冒落[1-3]。如何確保巷道頂板穩(wěn)定是巷道掘進過斷層破碎帶時需要解決的現(xiàn)實問題[4-6]。文中就以6301運輸巷過斷層破碎帶為工程實例，采用數(shù)值模擬技術手段對巷道支護參數(shù)進行模擬分析并優(yōu)選出適合巷道實際地質條件的頂板巖層控制技術，確保了巷道掘進及使用安全。

2 工作面概況

6301工作面位于630采區(qū)，以西為5305工作面(已回采)，以北為6304工作面(已回采)，以南為南部軌道、膠帶大巷及底車場。地面標高+35.2～+36.2m，工作面標高-950.0～-1 044.0m。工作面主采3煤層，平均厚度4.4m，平均傾角7°。直接頂為厚1.8m泥巖，基本頂為厚6.54m細粉砂巖互層，直接底為厚1.44m泥巖，基本底為厚6.10m細砂巖。工作面及周邊發(fā)育正斷層11條，其中4條斷層對工作面產(chǎn)生較大影響，在構造作用下圍巖巖層破碎，巷道掘進至破碎帶時會給巷道圍巖穩(wěn)定帶來不利影響。因此，需要針對破碎圍巖實際條件采取針對性圍巖控制措施并提高頂板的承載能力，減小頂板的破碎程度，實現(xiàn)巷道掘進安全。

3 不同支護方式數(shù)值模擬

3.1 模擬方案

FF53斷層(H=5.5m，156°∠70°)對6301工作面開采有較大影響，文中就以該斷層為分析對象，采用RFPA軟件分析6301運輸巷掘進該斷層影響區(qū)域時不同支護參數(shù)下的巷道圍巖變形情況、圍巖受力情況，從而優(yōu)選出最佳的巷道支護參數(shù)。具體巷道支護方式：工字鋼架棚支護、錨網(wǎng)索支護(錨桿間排距分別為800mm×800mm、900mm×900mm)。構建的模擬模型長、寬分別為240m、500m，在模型上邊界施工5MPa垂向應力，具體工作面頂?shù)装鍘r性參數(shù)見表1。

表1 工作面頂?shù)装鍘r性參數(shù)

3.2 模擬結果分析

1) 工字鋼架棚支護

在6301運輸巷使用工字鋼架棚時，圍巖主應力以及聲發(fā)射圖像如圖1所示。

從圖1得出，6301運輸巷采用工字鋼架棚支護對圍巖進行控制時，頂板、巷幫巖層在支護初期就能得到足夠的支撐力，但架棚支護時棚腿位置容易出現(xiàn)應力集中。隨著時間發(fā)展，架棚棚腿作用到底板巖層中應力增加，當?shù)装鍘r層承載能力較差時，容易出現(xiàn)底鼓，從而降低架棚支護強度，導致頂板、巷幫巖層逐漸出現(xiàn)變形，嚴重時會導致整個架棚支護體系失效。

圖1 工字鋼架棚支護

2) 900mm×900mm錨網(wǎng)支護

在6301運輸巷采用900mm×900mm錨網(wǎng)索支護后聲發(fā)射、主應力圖如圖2所示。

圖2 900mm×900mm錨網(wǎng)支護

從圖中看出，在6301運輸巷采用間排距為900mm×900mm錨網(wǎng)索支護時，由于巷道圍巖初期支護強度不足，導致巷道圍巖變形成逐漸增加趨勢。變形破壞位置從起初巷道表層向深部巖層逐漸轉移，圍巖變形破碎范圍達到4m以上。因此，在此支護條件下應對巷道圍巖進行二次補強加固。

3) 800mm×800mm錨網(wǎng)支護

在6301運輸巷采用800mm×800mm錨網(wǎng)索支護后聲發(fā)射、主應力圖如圖3所示。

圖3 800mm×800mm錨網(wǎng)索支護

從圖3看出，在6301運輸巷圍巖控制時，將錨桿間排距由900mm×900mm縮小至800mm×800mm后，巷道圍巖支撐強度得以顯著提升。巷道表層圍巖僅有局部位置出現(xiàn)變形破壞，深部巖層穩(wěn)定，未有變形破壞發(fā)生，表明800mm×800mm間距錨網(wǎng)支護可滿足巷道圍巖控制需要。

通過對工字鋼架棚支護、錨網(wǎng)支護模擬分析得出，工字鋼架棚支護以及間排距為900mm×900mm錨網(wǎng)索支護圍巖變形量較大，圍巖控制效果均不能滿足巷道后續(xù)使用需要。而采用800mm×800mm錨網(wǎng)索支護時，巷道圍巖變形量較小，僅在巷道圍巖淺部局部位置出現(xiàn)破碎，表明該支護參數(shù)可滿巷道圍巖控制需要。因此，在6301運輸巷采用間排距為800mm×800mm錨網(wǎng)索支護，但是由于受斷層圍巖破碎。因此，需要采用注漿加固方式進行補強加固。

4 支護實踐

4.1 錨網(wǎng)索支護設計

根據(jù)模擬結果以及6301運輸巷實際地質情況，設計的巷道支護參數(shù)見表2。

表2 錨網(wǎng)索支護參數(shù)

為了提升錨網(wǎng)索支護強度確保圍巖穩(wěn)定，在巷道頂板布置的錨桿采用鋼筋梯子梁(φ14mm圓鋼焊接而成)連接。

4.2 補強加固

受到斷層影響6301運輸巷頂板巖層破碎，若單獨采用錨索網(wǎng)支護雖可實現(xiàn)對圍巖控制，但也存在頂板變形量過大問題。因此，為了進一步提升巷道圍巖控制能力，采用注漿方式提升圍巖自身穩(wěn)定性。注漿選用直徑22mm中空注漿錨桿，注漿材料為高水速凝材料，注漿泵型號為QB152。在巷道頂板及巷幫均進行注漿加固，具體注漿孔施工參數(shù)見表3。

表3 6301工作面運輸巷注漿加固參數(shù)

5 效果檢驗

采用采用“十字布點”對錨網(wǎng)索+注漿支護后巷道圍巖變形情況進行監(jiān)測，具體監(jiān)測結構見表4。

表4 頂板下沉量監(jiān)測結果

從監(jiān)測結果得知，頂板下沉量增加速度隨著時間推擠呈注漿降低趨勢，當支護時間超過20d后，下沉量增加速度降低到1mm/d以內。巷道圍巖支護完成30d時頂板下沉量最終穩(wěn)定在105mm，圍巖控制效果顯著。

6 結論

(1)采用RFPA對6301運輸巷過FF53斷層時不同支護形式下的圍巖變形進行分析。根據(jù)主應力和聲發(fā)射圖可知，工字鋼棚支護方式為被動支護，900mm×900mmmm錨網(wǎng)索支護的巷道在數(shù)值模擬中出現(xiàn)了不同方式的變形破壞，均達不到支護要求。因此，最終確定6301運輸巷支護方式為800mm×800mm錨網(wǎng)索支護。

(2)為了減小破碎頂板對圍巖控制影響，在800mm×800mm錨網(wǎng)索支護的基礎上，通過注漿加固圍巖，提高圍巖的剛度和抗剪強度?，F(xiàn)場應用后頂板下沉量控制在105mm以內，支護取得了良好的效果。