塔山礦8305工作面留巷巷道圍巖控制與礦壓規(guī)律研究

田忠良

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 雁崖煤業(yè)公司，山西 大同 037001)

1 工程概況

晉能控股集團(tuán)塔山煤礦8305工作面井下位于三盤(pán)區(qū)東翼東北部，工作面走向可采長(zhǎng)度為1 292 m，傾斜長(zhǎng)度為299.5 m，東北鄰近盤(pán)區(qū)邊界，東南鄰近8306工作面，西南以三盤(pán)區(qū)大巷為界。蓋山厚度在462～518 m，平均490 m。工作面開(kāi)采2號(hào)煤層，煤層平均厚度為3.3 m，平均傾角為2°，煤層內(nèi)平均含有兩層夾矸，夾矸厚度平均厚度為0.28 m，煤層頂?shù)装鍘r層特征如表1所示。8305工作面綜合機(jī)械化采煤方法，全部垮落法管理頂板，工作面采用兩巷布置，2305巷為進(jìn)風(fēng)巷，5305巷為回風(fēng)巷，5305巷為切頂卸壓留巷巷道，現(xiàn)為保障8305工作面回采期間5305巷道圍巖穩(wěn)定，特進(jìn)行沿空留巷巷道復(fù)用期間圍巖控制技術(shù)研究。

表1 頂?shù)装鍘r層特征

2 留巷支護(hù)技術(shù)

5305巷沿空留巷采用“110”工法，即在上區(qū)段工作面回采期間通過(guò)頂板預(yù)裂切縫的方式改變采空區(qū)頂板的結(jié)構(gòu)，通過(guò)工作面回采后采空區(qū)頂板的垮落碎脹特征形成巷道，110工法沿空留巷又稱切頂卸壓自成巷，該留巷技術(shù)的核心在于通過(guò)雙向聚能張拉爆破的方式對(duì)頂板進(jìn)行定向預(yù)裂，采用恒阻大變形錨索進(jìn)行留巷頂板的加固控制[1-3]。5305巷沿空留巷期間的支護(hù)方案具體如下：

1) 巷道原有支護(hù)設(shè)計(jì)：5305巷為矩形斷面，巷道寬度×高度=5 000×3 100 mm，巷道沿煤層頂板進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)，巷道采用錨網(wǎng)索支護(hù)，頂板支護(hù)中錨桿規(guī)格為D22 mm×2 500 mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為1 100 mm×1 100 mm，頂板靠實(shí)體煤幫錨桿與頂板成70°布置，其余錨桿均垂直頂板布置；頂板錨索規(guī)格為D21.8 mm×9 000 mm的1×7股鋼絞線，間排距為1 600 mm×3 000 mm，頂板錨桿預(yù)緊扭矩為300 N·m，錨索預(yù)緊力為120 kN。巷道幫部錨桿規(guī)格為D22 mm×2 000 mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為900 mm×1 000 mm，幫部錨桿預(yù)緊扭矩為250 N·m，兩幫靠近頂角和底角的錨桿與幫部成10°布置，其余錨桿均垂直于巷幫布置，巷道全斷面采用10號(hào)鐵絲編制的金屬網(wǎng)進(jìn)行護(hù)表，具體巷道原有支護(hù)方案如圖1所示。

圖1 5305巷原有支護(hù)斷面(mm)

2) 留巷期間補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)：5305巷在切頂卸壓后，在留巷期間為保障補(bǔ)強(qiáng)錨索的支護(hù)效果，補(bǔ)強(qiáng)錨索支護(hù)方式見(jiàn)圖2。錨索的錨固端需高于切頂高度1～2 m，根據(jù)巷道地質(zhì)條件可知，巷道頂板巖層中存在著分層現(xiàn)象，為保障支護(hù)效果，確定錨索的支護(hù)高度為13 m，結(jié)合懸吊理論進(jìn)行計(jì)算[4]，計(jì)算公式如下：

(1)

式中：n為頂板巖層的層數(shù)；Di為頂板巖層單層的厚度，m；ρi為單層頂板的容重，kN/m3；ρd為切頂范圍內(nèi)頂板的容重，kN/m3；Lh為留巷的高度，m；基于采空區(qū)頂板垮落后對(duì)頂板形成有效支撐，基于巷道特征計(jì)算得出ρd=15.0 kN/m3，Pm≥112.5 kN/m2，這即表明在進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)錨索支護(hù)時(shí)，支護(hù)密度最少應(yīng)該為0.25根/m2，基于計(jì)算結(jié)果設(shè)置補(bǔ)強(qiáng)錨索支護(hù)排距為3 m，錨索規(guī)格為D21.8 mm×9 000 mm的恒阻大變形錨索，1排布置2根，2根間采用W型鋼帶進(jìn)行連接。

3) 臨時(shí)支護(hù)設(shè)計(jì)：切頂卸壓自成巷的臨時(shí)支護(hù)包括超前臨時(shí)支護(hù)和架后臨時(shí)支護(hù)兩部分，其中超前臨時(shí)支護(hù)的主要目的為防止工作面超前應(yīng)力集中對(duì)圍巖的擾動(dòng)，架后臨時(shí)支護(hù)主要為動(dòng)壓承載區(qū)的圍巖提供支撐?；诒姸嘌乜樟粝锏膰鷰r變形工程實(shí)踐結(jié)果[5-6]，設(shè)計(jì)留巷段超前支護(hù)的長(zhǎng)度為30 m，支護(hù)方式采用一梁三柱，單體支柱型號(hào)為DW40-300/110x，支護(hù)排距為1 m，具體超前支護(hù)斷面如圖3(a)所示。架后臨時(shí)支護(hù)采用每排布置5根單體的形式，其中在巷道切縫側(cè)單體支柱的排距為0.5 m，其余單體支柱的排距為1 m，工作面回采推進(jìn)后的區(qū)域全部進(jìn)行架后臨時(shí)支護(hù)，直至成巷穩(wěn)定后方可對(duì)架后臨時(shí)支護(hù)進(jìn)行拆除，具體架后臨時(shí)支護(hù)如圖3(b)所示。

圖2 補(bǔ)強(qiáng)錨索支護(hù)方式示意

圖3 沿空留巷臨時(shí)支護(hù)斷面(mm)

4) 擋矸支護(hù)：5305巷沿空留巷期間采用11號(hào)礦用工字鋼配合金屬網(wǎng)進(jìn)行擋矸支護(hù)，擋矸結(jié)構(gòu)中工字鋼的間距為500 mm，金屬網(wǎng)采用10號(hào)鐵絲編制的網(wǎng)片。

3 成巷復(fù)用期間礦壓規(guī)律

為掌握切頂自成巷在復(fù)用期間的礦壓規(guī)律，同時(shí)為分析5305巷沿空留巷的圍巖變形規(guī)律，在8305工作面回采期間，分別進(jìn)行圍巖變形規(guī)律及工作面來(lái)壓規(guī)律的分析，具體分析如下：

1) 圍巖變形規(guī)律：8305工作面回采期間，在工作面超前30 m的位置處，布置巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，圍巖變形采用十字布點(diǎn)法進(jìn)行測(cè)試分析，圍巖變形量持續(xù)監(jiān)測(cè)分析至工作面回采到監(jiān)測(cè)斷面處，具體5305巷復(fù)用期間在該工作面的采動(dòng)影響下，圍巖變形特征如圖4所示。

分析圖4可知，8305工作面回采期間，5305巷采采動(dòng)影響下圍巖變形量較小，其中頂?shù)装逡平孔畲笾祪H為12.5 mm，頂板下沉量和底板鼓起量分別為9.7 mm和2.8 mm，兩幫移近量的最大值為14.5 m，其中碎石幫和實(shí)體煤幫的變形量分別為6.1 mm和8.4 mm，5305巷復(fù)用期間圍巖在現(xiàn)有支護(hù)方案下變形量小，圍巖支護(hù)強(qiáng)度完全滿足8305工作面回采期間的使用要求。

2) 工作面來(lái)壓分析：8305工作面回采期間，進(jìn)行工作面內(nèi)液壓支架工作阻力的監(jiān)測(cè)分析，通過(guò)分析端頭支架的受力情況，能夠在一定程度上反應(yīng)出巷道的受力情況；另外基于切頂短臂梁理論，能夠判斷出架后采空區(qū)的垮落情況，以此能夠有效指導(dǎo)巷道的超前補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。8305工作面礦壓監(jiān)測(cè)方案如圖5所示。

圖4 5305巷復(fù)用期間圍巖變形曲線

圖5 工作面礦壓監(jiān)測(cè)方案

根據(jù)礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果，選取1號(hào)、33號(hào)和65號(hào)液壓支架分別代表非留巷側(cè)、工作面中部及留巷側(cè)，液壓支架工作曲線如圖6所示。

圖6 工作面液壓支架工作曲線

分析圖6可知，8305工作面回采期間，工作面中部液壓支架的來(lái)壓強(qiáng)度明顯大于工作面兩端頭，工作面留巷側(cè)(5305巷側(cè))與非留巷側(cè)相比，液壓支架的工作阻力明顯減小，平均卸壓減小6.8 MPa，這即表明巷道的切頂卸壓效果較為顯著。

通過(guò)對(duì)工作面液壓支架工作阻力的統(tǒng)計(jì)分析，能夠得出工作面來(lái)壓情況如表2所示。

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析可知，8305工作面回采期間，5305巷復(fù)用期間工作面液壓支架仍在一定程度上受到切頂卸壓作用的影響，但復(fù)用期間的卸壓幅度相較于留巷期間有所減小，這即表明切頂巷道在復(fù)用期間，5305巷復(fù)用期間的臨時(shí)支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)適當(dāng)高于沿空留巷時(shí)期的支護(hù)強(qiáng)度，弱于留巷時(shí)期架后臨時(shí)支護(hù)的強(qiáng)度。

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)8305工作面的地質(zhì)條件，基于5305巷切頂卸壓自成巷的特征，設(shè)計(jì)巷道采用錨網(wǎng)索支護(hù)+補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)+臨時(shí)支護(hù)+檔矸支護(hù)進(jìn)行圍巖控制，并進(jìn)行各項(xiàng)支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)，通過(guò)8305工作面回采期間的圍巖變形觀測(cè)及礦壓監(jiān)測(cè)分析可知，5305巷現(xiàn)有支護(hù)滿足巷道復(fù)用的使用要求，工作面回采期間，工作面中部支架來(lái)壓強(qiáng)度大，復(fù)用巷道側(cè)支架工作阻力小于非沿空側(cè)。

表2 8305工作面來(lái)壓情況統(tǒng)計(jì)