綜放面沿空留巷圍巖控制技術(shù)及礦壓顯現(xiàn)特征研究

張 剛

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司唐安煤礦分公司，山西高平048400）

沿空留巷能夠提高煤炭采出率，減少巷道掘進次數(shù)和數(shù)量，尤其是高瓦斯和突出礦井能夠使留巷的下一個工作面順層鉆孔有充足的瓦斯抽放時間，該項技術(shù)有效緩解采掘接替的緊張狀況，是既有利于礦井安全生產(chǎn)又能提高礦井技術(shù)經(jīng)濟效益的一項先進開采技術(shù)[1-3]。自2015 年以來，切頂卸壓自動成巷和柔?；炷羶煞N沿空留巷技術(shù)在山西晉城區(qū)域礦井得以一系列的推廣和應(yīng)用[4]。

近年來我國煤巷錨桿支護材料和支護技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，沿空留巷的巷內(nèi)支護逐漸開始使用高強度材質(zhì)的錨網(wǎng)索聯(lián)合支護[5]，巷旁支護也有膏體充填、矸石充填、超高水材料包式充填技術(shù)使巷道維護效果不斷改善[6]。但是沿空留巷是一類典型的極難維護的動壓巷道，在原巖應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力和采動應(yīng)力疊加的多次作用下，圍巖的破碎區(qū)、塑性區(qū)范圍大，巷道產(chǎn)生大變形和劇烈變形，該類巷道的支護仍是需要繼續(xù)解決的難題。

本文以山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司唐安煤礦的3313 綜放工作面沿空留巷巷道為研究對象，開展綜放采場沿空留巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及圍巖控制技術(shù)的研究。以期達到了降低沿空留巷巷道支護成本的同時改善巷道圍巖受力狀況，成功實現(xiàn)沿空留巷并促進礦井安全高產(chǎn)高效的目的。

1 礦井概況

山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司唐安煤礦分公司井田位于高平市西南約15.2km 處的馬村鎮(zhèn)。井田位于沁水煤田晉城礦區(qū)中部，現(xiàn)開采3 號煤層，3 號煤層平均厚6.09m，礦井開拓方式為2 斜井和1 立井混合開拓，采煤方法采用走向長壁與傾斜長壁相結(jié)合開采，采煤工藝全部采用綜合機械化低位放頂煤采煤，全部垮落法管理頂板。

3313 工作面布置在3 號煤層三盤區(qū)，工作面走向長度609m，傾向長度235m，回采推進長度497m。3313工作面軌道順槽沿底板留頂煤掘進，毛斷面寬5.8m×高3.2m，凈斷面5.6m×3.1m，一次開挖成巷。3313工作面軌道順槽沿空留巷既可以使3311工作面少掘進一條回采巷道，又可以提前布置3311工作面的順層抽采鉆孔，保障了3311工作面有足夠的瓦斯抽采時間。

2 巷道支護方式

2.1 基本支護參數(shù)

（1）頂板錨桿支護參數(shù)。

錨桿型號：?20mm×2200mm型高強度錨桿。

錨桿布置：錨桿排距為900mm，每排7 根錨桿，間距900mm；兩頂角錨桿與巷道輪廓豎直方向成20°，其余必須垂直煤巖面打設(shè)。

（2）頂板錨索支護參數(shù)。

錨索型號：鎖體為?21.8mm×8300mm，1×19 股高強度鋼絞線。

錨固方式：所有錨索均采用四支錨固劑加長錨固，先安裝一支K2335 型錨固劑，再安裝三支Z2360 型錨固劑。

錨索布置：采用三二三二相間布置，間距1800mm，排距900mm。

錨索角度：全部垂直頂板煤巖面打設(shè)。

（3）兩幫錨桿支護參數(shù)。

錨桿型號：?20mm×2200mm型高強度錨桿。

錨桿布置：錨桿排距900mm，間距900mm，每排4根錨桿，上幫錨桿與巷道水平成20°仰角布置，其余垂直煤巖面打設(shè)。

3313工作面軌道順槽基本支護見圖1。

圖1 3313工作面軌道順槽基本支護

2.2 超前工作面永久加強支護

當頂板每排布置2根錨索時，超前回采工作面在煤柱側(cè)和回采側(cè)頂板各補打1根錨索，與原巷道頂板錨索形成三四三四布置，錨索距離煤幫650mm，排距1800mm。錨索型號為?22mm×8300mm。見圖2。

3313工作面軌道順槽留巷前巷道頂板基本支護方式為錨桿+鋼筋梯子梁+金屬網(wǎng)，頂板支護為一級支護；3313 工作面軌道順槽即將一側(cè)采空時，留巷巷道加強支護方式為快速承載預(yù)應(yīng)力錨索，頂板支護分為二級支護。

一級支護：頂板錨索采用三二三二相間布置，錨索為?22mm×8300mm 的1×19 股鋼絞線，間距1800mm，排距900mm，鉆孔深度8100mm，鉆頭直徑?30mm。當每排布置三根錨索時，靠近回采幫兩根錨索采用W鋼帶組合支護，鋼帶長度2400mm，鋼帶型號為WD280-3。

圖2 3313工作面軌道順槽加強支護

二級支護：錨索材料、型號、間排距同一級支護，所有錨索采用四支錨固劑加長錨固，安裝先后次序為先安裝一支K2335 型錨固劑，再安裝三支Z2360 型錨固劑；預(yù)緊力不小于150kN；布置回采側(cè)三根錨索時，靠近回采幫兩根錨索采用W 鋼帶組合支護，鋼帶長度2400mm，鋼帶型號為WD280-3。

2.3 巷旁充填體承載性能

（1）充填體的承載性能。充填體作為支護結(jié)構(gòu)的一個重要組成部分，是巷道圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵之一。充填體承載性能應(yīng)與煤體、頂?shù)装宄休d能力相協(xié)調(diào)。若充填體強度不足，則易在強烈的滯后采動應(yīng)力作用下發(fā)生變形破壞，從而使巷道頂板的承載作用降低，進而導(dǎo)致頂板向充填體側(cè)采空區(qū)下沉破壞，造成留巷支護結(jié)構(gòu)破壞。若充填體強度、剛度較大，則巷道頂板可能沿充填體內(nèi)側(cè)切頂，同樣造成頂板下沉嚴重，圍巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。充填體剛度非常高時，充填體將上覆巖層垂直應(yīng)力全部轉(zhuǎn)移到巷道底板，從而將導(dǎo)致嚴重底鼓。

因此，合理的充填體強度和寬度應(yīng)與留巷支護結(jié)構(gòu)其他部分相協(xié)調(diào)。合理的充填體尺寸和強度，將有助于關(guān)鍵塊體盡快穩(wěn)定，并能適應(yīng)其回轉(zhuǎn)下沉。合理的充填體尺寸和強度使其與巷道的實體煤幫共同承載，改善留巷支護結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀況，保證留巷結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

（2）切頂角度計算。當頂板沿切縫面破斷后，此面便成為了塊體間的接觸面（如圖3所示），對接觸面的受力分析如圖4所示。

圖3 沿空留巷頂板結(jié)構(gòu)

圖4 沿空留巷頂板關(guān)鍵塊受力分析

根據(jù)砌體梁結(jié)構(gòu)的“S（sliding）-R（rotation）”理論：只有關(guān)鍵塊既不會在巖層剛斷裂時滑落失穩(wěn)（S），又不會在斷裂后因咬合點擠碎而形成回轉(zhuǎn)變形失穩(wěn)（R），砌體梁結(jié)構(gòu)才是穩(wěn)定的。圖4中塊體發(fā)生滑落失穩(wěn)的條件為：

式中：T——塊體所受水平推力，kN；

R——巖塊所受的剪切力，kN；

φ——巖塊間的摩擦角，（°）；

α——切頂角度，（°）。

式中：q——基本頂?shù)妮d荷集度，kN/m；

L——基本頂巖塊的長度，m；

ΔS——巖塊B的下沉量，m；

hm——基本頂巖層厚度，m。

由唐安煤礦3313工作面地質(zhì)條件可得，φ=27°，L=35m，ΔS=1.63m，hm=8.9m，計算得θ=4.47°，故切頂角度α=85.53°。

在唐安煤礦生產(chǎn)地質(zhì)條件下，切頂高度16m，切頂角度85°，巷旁支護墻C30混凝土，混凝土墻寬度1.5m，沿空留巷保持完整，可以成功留巷。

3 沿空留巷圍巖礦壓顯現(xiàn)特征分析

3.1 頂?shù)装寮皟蓭蛢?nèi)部特征監(jiān)測

近些年地質(zhì)雷達在煤炭行業(yè)中被廣泛應(yīng)用，應(yīng)用地質(zhì)雷達系統(tǒng)可以探測采空區(qū)、斷層、陷落柱等構(gòu)造特征分布。采用ZTR12 型地質(zhì)雷達監(jiān)測系統(tǒng)對巷道頂?shù)装逡约皟蓭瓦M行觀測。

通過對采空區(qū)、巷道頂板、巷道底板和煤柱地質(zhì)雷達二維譜與振幅譜圖綜合分析可知，3313 工作面軌道巷松動破壞深度為4m左右，工作面前后各20m范圍內(nèi)頂板受力以拉應(yīng)力為主，工作面超前40～120m范圍內(nèi)頂板受力以壓應(yīng)力為主。

通過分析底板巖層的受力特點可知，工作面前方20～100m 范圍內(nèi)的底板巖層受力以壓應(yīng)力為主，采空區(qū)后方50～70m范圍內(nèi)的底板巖層出現(xiàn)較為明顯的底鼓，表明該區(qū)域與底板巖層以拉應(yīng)力為主。

3.2 充填體壓力監(jiān)測

測點位于柔模墻體之下，打柔模墻之前在墻體下裝入3 個GH-1000 壓力盒液壓枕，沿墻體寬度方向并排放置作為一個測點，液壓枕上下鋪設(shè)1～2cm的細砂確保液壓枕均勻受力。

從三組測線應(yīng)力的變化規(guī)律上來看（圖5），充填墻體上的應(yīng)力變化存在“增大—減小—增大”過程，通常在與工作面距離為40m左右時充填墻體上的應(yīng)力達到最大值，當與工作面距離為60m左右時，充填墻體上的應(yīng)力出現(xiàn)急劇降低；同一測線處的三個應(yīng)力計的數(shù)值也存在著一定的差異，應(yīng)力變化存在著一定的方向性前中后應(yīng)力變化程度不同。

充填體在距工作面150～280m期間壓力第二次急劇增大，在距工作面距離350m 之后壓力增速開始減緩，由此可知，工作面推過350m 以后頂板運動開始趨于緩和。

4 結(jié)論

（1）3313 工作面軌道巷頂板基本支護方式為錨桿+鋼筋梯子梁+金屬網(wǎng)，加強支護方式為快速承載預(yù)應(yīng)力錨索。留巷前后頂板支護分為一級支護與二級支護。一級支護：頂板錨索采用三二三二相間布置，二級支護：錨索材料、型號、間排距同一級支護，頂板錨索形成三四三四布置。

圖5 充填墻體壓力變化

（2）現(xiàn)場實踐證明在唐安煤礦生產(chǎn)地質(zhì)條件下，切頂高度16m，切頂角度85°，巷旁支護墻C30 混凝土，混凝土墻寬度1.5m，沿空留巷保持完整，可以成功留巷。

（3）根據(jù)現(xiàn)場實測留巷巷道內(nèi)頂?shù)装寮皟蓭推茐奶卣饕约俺涮铙w所受壓力變化規(guī)律，巷道頂板在工作面推過350m 后運動開始逐漸趨于緩和，建議350m 以后結(jié)合留巷圍巖狀態(tài)進行單體柱的回撤。