南煤大陽泉公司8128回風巷道破碎圍巖沿空掘巷技術研究

屈海峰

(華陽集團 南莊煤炭集團有限責任公司，山西 陽泉 045000)

1 工程概況

南煤集團大陽泉公司8128工作面位于15號煤采區(qū)南翼，工作面北與15號煤采區(qū)軌道巷相接，南鄰礦界，東距8130工作面15.3 m，西部為8126工作面采空區(qū)；工作面開采15號煤層，煤層均厚為5.76 m，煤層結構復雜，煤層內(nèi)含矸石0.13 m，工作面直接頂為黑灰色頁巖，厚約8.18 m，基本頂為中砂巖和灰色細砂巖，均厚6.23 m，底板巖層為黑色頁巖和灰色中砂巖，具體工作面頂?shù)装鍘r層特征見表1。工作面采用綜采放頂煤采煤方法，工作面割煤高度控制在2.7 m，放煤高度3.53 m，循環(huán)進度0.8 m，全部垮落法管理頂板。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性特征

8128工作面回風巷一側沿空，巷道沿煤層底板掘進，巷道斷面為矩形，掘進高度×寬度=3.6 m×5.2 m，由于回風巷道掘進作業(yè)時為沿空掘進，且巷道為煤巷，煤層上方直接頂巖層質(zhì)軟易碎，故需針對回風巷道沿空掘巷時護巷煤柱寬度及松軟破碎圍巖巷道的支護方案進行分析設計。

2 沿空掘巷煤柱寬度分析

綜放工作面沿空掘巷沿鄰近采空區(qū)邊緣進行掘進，其窄煤柱受到毗鄰工作面采動影響，煤柱兩側淺部圍巖會發(fā)生塑性變形及破壞。隨著煤柱寬度的減小，煤柱內(nèi)的應力集中程度得到減弱，但考慮到煤柱幫的支護效果，煤柱寬度又不應太小。如果煤柱寬度小于某個值時，煤柱將發(fā)生蠕變變形破壞，此時煤柱幫錨桿不能錨固在穩(wěn)定巖層中，可能會導致一系列礦壓事故及安全生產(chǎn)難題。沿空掘巷煤柱力學模型如圖1所示。

圖1 沿空掘巷煤柱力學模型

根據(jù)圖1中的力學模型，結合極限平衡理論，推導出沿空掘巷窄煤柱最小合理寬度的表達式[1-3]：

B=x1+x2+x3

(1)

式中：B為煤柱最小合理寬度，m；x1為煤柱位于相鄰采空區(qū)側的破碎區(qū)長度，m；x2為錨桿的有效長度，m；x3為安全系數(shù)，緩傾斜煤層取(0.2～0.6)(x1+x2)；λ為側壓系數(shù)，λ=μ/1-μ；γ為煤巖層平均容重；m為煤層厚度，m；C0為煤層內(nèi)聚力大小，MPa；φ0為煤層內(nèi)摩擦角大小，°；K為應力集中系數(shù)；H為巷道平均埋深，m；Px為錨桿對煤柱的側向阻力，MPa。

根據(jù)8128工作面頂?shù)装鍘r層的賦存情況及力學特征，結合8128工作面的具體情況，式中各項參數(shù)的取值見表2。

表2 8128工作面煤巖層物理力學參數(shù)

將上述數(shù)據(jù)代入式(1)，得x1=2.53 m；基于8128工作面的具體情況，取x2=2.0 m，則x3=(0.2～0.6)(x1+x2)=0.906～2.718 m，則煤柱最小合理寬度B=5.436～7.248 m。

另外考慮到綜放工作面回采過程中煤層采放厚度大，煤層開采后，采空區(qū)內(nèi)遺留的浮煤和垮落的矸石無法充滿采空區(qū)，基本頂巖層會在覆巖載荷作用下發(fā)生破斷及回轉下沉現(xiàn)象，即基本頂向采空區(qū)側傾斜，進而導致側向支承壓力會向煤體內(nèi)轉移，在應力的轉移過程中會使邊緣煤體出現(xiàn)破壞，從而在區(qū)段煤柱一定深度內(nèi)形成塑性破壞區(qū)。根據(jù)研究可知[4-6]，綜放上區(qū)段工作面回采后，在煤體邊緣0～7 m的范圍內(nèi)會形成應力降低區(qū)，結合煤柱合理寬度的計算結果，確定8128工作面沿空掘巷留設煤柱寬度為6 m。

3 圍巖控制技術

3.1 方案設計

為充分保障沿空掘巷巷道圍巖的穩(wěn)定，巷道斷面選用矩形，掘進高度×寬度=3.6 m×5.2 m，結合工作面地質(zhì)資料可知，巷道圍巖較為松軟，且臨近的8126采空區(qū)尚未穩(wěn)定，巷道掘進期間會受到一定程度鄰近采空區(qū)覆巖運動的影響。綜合上述分析，確定巷道采用錨網(wǎng)索+鋼帶+煤柱注漿加固的支護方案，具體支護方案如下：

1) 錨網(wǎng)支護：錨桿采用D20 mm×2 200 mm的螺紋鋼錨桿，頂板和兩幫錨桿間排距分別為900 mm×900 mm和1 000 mm×900 mm，錨桿采用端頭錨固，每孔采用2節(jié)K2370 mm樹脂藥卷進行錨固，錨固力≥50 kN。錨桿托板采用150 mm×150 mm×10 mm的鐘型托盤，全斷面鋪設金屬網(wǎng)，金屬網(wǎng)采用D6.5 mm的圓鋼焊制，網(wǎng)孔間距100 mm，采用14號雙股鉛絲雙排扣扣相聯(lián),每排共計布置14根錨桿。

2) 鋼筋梯支護：2-2斷面拱部錨桿(7根)與鋼筋梯同排布置，鋼筋梯采用D16 mm的圓鋼焊制，長度5 750 mm，每根鋼筋梯由兩根D16 mm的圓鋼平行并排焊接而成，并排外徑寬度102 mm，內(nèi)徑寬度70 mm,每隔800 mm焊接外徑間距為116 mm，見圖2。

圖2 鋼筋梯子梁加工示意(mm)

3) 錨索支護：頂板錨索采用規(guī)格為D17.8 mm×6 300 mm的鋼絞線(1×7股)，錨索采用4節(jié)K2370 mm樹脂藥卷進行錨固，兩幫錨索采用2節(jié)K2370 mm樹脂藥卷，錨索的錨固力≥100 kN。全斷面布置2根錨索，均布置于巷道上，間排距1 800 mm×1 800 mm，錨索梁呈2-2布置。具體8128回風巷道沿空掘巷各項支護參數(shù)見圖3。

圖3 8128回風巷道沿空掘巷支護示意(mm)

4) 煤柱注漿：為加強煤柱的承載能力，在沿空掘巷期間對煤柱采用注漿加固工藝，在8128回風巷道窄煤柱幫布置注漿鉆孔，采用水泥水玻璃對窄煤柱幫進行注漿加固，詳細參數(shù)為：①注漿材料：選用水泥與水玻璃，以1∶0.4體積比進行注漿，初凝時間1～2 h；②注漿鉆孔布置方式：窄煤柱幫注漿鉆孔呈五花布置(注漿間排距 1 000 mm×2 000 mm)、最靠近窄煤柱幫底部的注漿鉆孔的角度為 45°；③注漿時間：滯后回風巷掘進半個月；④注漿深度：3.5 m；⑤封孔方式：采用水泥藥卷，封孔長度0.4 m；⑤水泥水玻璃在圍巖內(nèi)的擴散半徑為 2 m；⑥注漿作業(yè)的終孔壓力為2 MPa。具體8128回風巷道窄煤柱幫注漿加固參數(shù)見圖4。

圖4 窄煤柱幫注漿鉆孔布置示意(mm)

3.2 效果分析

為驗證8128回風巷道沿空掘巷支護方案的合理性，掘巷期間在距離掘進頭5 m的位置處布置巷道表面位移監(jiān)測站，根據(jù)觀測結果繪制曲線，見圖5。

圖5 8128回風巷沿空掘巷期間巷道表面位移曲線

分析圖5可知，8128回風巷沿空掘巷期間，頂?shù)装寮皟蓭鸵平侩S著觀測天數(shù)的增長表現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃沃饕l(fā)生在0～20 d內(nèi)；當觀測天數(shù)大于20 d時，頂?shù)装寮皟蓭偷淖冃嗡俾蚀蠓葴p小；在觀測到30 d時，巷道圍巖基本達到穩(wěn)定狀態(tài)。最終頂?shù)装寮皟蓭妥畲笠平糠謩e為84 mm和158 mm。

4 結 語

根據(jù)8128回風巷道圍巖具體情況及其力學參數(shù)，通過理論計算護巷煤柱的合理寬度為5.436～7.248 m，結合側向支承壓力分布確定護巷煤柱寬度為6 m。結合回風巷道圍巖特征，確定沿空掘巷采用錨網(wǎng)噴+煤柱注漿加固支護方案，根據(jù)掘巷期間巷道表面位移觀測結果可知，8128回風巷道在6 m護巷煤柱、錨網(wǎng)索+鋼帶+煤柱注漿支護方案下，圍巖控制效果良好。