8111 工作面沿空巷道變形特征及支護(hù)技術(shù)研究

強濟(jì)江

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)馬脊梁礦，山西 大同 037000）

1 工程概況

同煤集團(tuán)馬脊梁礦8111工作面埋深410～485 m，工作面開采C3#煤層的厚度為6～9 m，平均厚度為7.5 m，平均傾角為2.5°，平均含有4 層夾矸，平均厚度為1.1 m。煤層直接頂巖層為高嶺石，平均厚度為4.17 m；基本頂巖層為粗砂巖，平均厚度為6.68 m。煤層頂板屬堅硬頂板。直接底巖層為粉砂巖，平均厚度為4.40 m；基本底為中粗砂巖，平均厚度為8.4 m。8111 工作面傾向長度為240 m，可采走向長度為2 357.5 m。工作面內(nèi)5111 巷上區(qū)段為8101 工作面采空區(qū)，巷道與采空區(qū)間的煤柱寬度為30 m。具體工作面及巷道位置如圖1。為保障5111 巷沿空巷道圍巖的穩(wěn)定，特進(jìn)行巷道圍巖控制技術(shù)研究。

圖1 8111 工作面及5111 巷位置示意圖

2 沿空巷道變形特征與控制原則

礦井在進(jìn)行C3#煤層開采時，沿空回采巷道均采用普通的錨網(wǎng)索支護(hù)。根據(jù)鄰近工作面回采期間沿空巷道變形的觀測結(jié)果可知，圍巖在該種支護(hù)方案下變形量較大，結(jié)合5111 巷道堅硬頂板的具體地質(zhì)條件，確定沿空巷道圍壓變形特征主要存在四個方面：

（1）沿空巷道動載破壞特征顯著。由于煤層頂板上方存在多層的堅硬頂板，且各層堅硬頂板的厚度大、懸頂距離長，在工作面回采動壓作用下，工作面后方堅硬頂板巖層破壞失穩(wěn)后，會將其破斷載荷以動載作用的形式作用到下位沿空巷道圍巖中，進(jìn)而容易在鄰近工作面采空區(qū)后方150～200 m范圍內(nèi)呈現(xiàn)出頂板瞬間下沉、兩幫移近量大和底鼓量大的特征，最終致使支護(hù)結(jié)構(gòu)失效，巷道失穩(wěn)[1-3]。

（2）巷道圍巖變形具有周期性。根據(jù)眾多理論研究結(jié)論，結(jié)合礦井生產(chǎn)經(jīng)驗可知，沿空巷道進(jìn)入到采空區(qū)后方的圍巖變形呈現(xiàn)出一定的周期性，巷道圍巖會在每隔20～30 m 時呈現(xiàn)出一次“突變”。圍巖產(chǎn)生突變的根源主要是由于堅硬頂板的周期性破斷，圍巖變形整體呈現(xiàn)為“加速-減速-再加速”的變形特征，重復(fù)施加的荷載作用會使得圍巖自身承載能力大幅降低。

（3）圍巖膨脹變形。巷道掘進(jìn)后，圍巖應(yīng)力重新分布，巷道周邊圍巖裂隙逐漸擴(kuò)展，圍巖體積不斷膨脹，巷道初始掘進(jìn)期間圍巖松散破碎區(qū)和塑性區(qū)范圍一般較小，但在開采引起的動載循環(huán)作用下，圍巖破碎區(qū)和塑性區(qū)的發(fā)育范圍在逐漸增大，進(jìn)而致使巷道圍巖產(chǎn)生膨脹變形。

（4）巷道支護(hù)系統(tǒng)缺陷。巷道在采用普通的錨網(wǎng)索支護(hù)時，錨桿的預(yù)應(yīng)力均偏低，錨桿對圍巖早期變形的控制效果差，巷道支護(hù)系統(tǒng)中缺乏耦合讓壓，且各個支護(hù)結(jié)構(gòu)之間不能實現(xiàn)協(xié)調(diào)受力，支護(hù)結(jié)構(gòu)間的協(xié)同能力差[4-5]。支護(hù)結(jié)構(gòu)在動載作用下易出現(xiàn)失穩(wěn)變形，且巷道在普通錨網(wǎng)索支護(hù)下，錨桿索的整體錨固性能差，錨固易失效。

綜合上述沿空巷道圍巖變形特征，確定5111 沿空巷道圍巖控制原則為：（1）支護(hù)結(jié)構(gòu)高預(yù)應(yīng)力、高強度和延展性；（2）支護(hù)系統(tǒng)協(xié)同整體支護(hù)[6]；（3）頂板壓裂弱化，減弱頂板破斷的動載作用；（4）支護(hù)結(jié)構(gòu)中配合合理的輔助支護(hù)構(gòu)件。

3 圍巖控制技術(shù)

3.1 支護(hù)方案

5111 沿空巷道沿C3#煤層底板掘進(jìn)，巷道掘進(jìn)斷面為矩形，掘進(jìn)寬×高=5.5 m×3.8 m。根據(jù)巷道的地質(zhì)條件，結(jié)合上述沿空巷道圍巖變形特征及控制原則的分析，確定巷道掘巷期間采用抗動載的支護(hù)方案，掘巷完成后采用水力壓裂對鄰近8101工作面的頂板進(jìn)行水力切頂卸壓，以降低堅硬頂板破斷對巷道圍巖變形的影響，本工作面回采期間對超前支撐壓力區(qū)域采取臨時支護(hù)。具體巷道圍巖支護(hù)方案如下：

（1）掘巷期間支護(hù)。巷道錨桿均采用HRB500的高強蛇形讓壓錨桿，錨桿規(guī)格為Φ22 mm×2400 mm，頂?shù)装邋^桿間排距為700 mm×800 mm，兩幫錨桿間排距為800 mm×800 mm，錨桿尾部配套15～18TB 的讓壓管，托盤采用蝶形錳鋼托盤，錨桿錨固劑兩支，快速K2340 和中速Z2360 型錨固劑各一支，預(yù)緊扭矩為300 N·m；頂板和兩幫錨索均采用1×7 股高強度鋼絞線，頂板錨索規(guī)格為Φ21.8 mm×9300 mm，兩幫錨索規(guī)格為Φ21.8 mm×6300 mm，錨索托盤采用蝶形錳鋼托盤，規(guī)格150 mm×150 mm×10 mm，錨索預(yù)緊力150 kN，錨索錨固劑為三支，快速K2340 一支和中速Z2360兩支。巷道表面采用直徑為6.5 mm 的鋼筋焊接而成的鋼筋網(wǎng)進(jìn)行護(hù)表，鋼筋網(wǎng)網(wǎng)孔大小為100 mm，錨桿索間采用厚度為3.4 mm 的M 型抗撕裂鋼帶進(jìn)行聯(lián)結(jié)，確保支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性。具體巷道掘進(jìn)期間支護(hù)方案如圖2。

圖2 5111 巷掘進(jìn)期間支護(hù)方案示意圖（mm）

（2）頂板水壓致裂。8111 工作面回采前，在5111 巷內(nèi)實施水力壓裂實現(xiàn)對鄰近采空區(qū)頂板的人工斷裂。水力壓裂鉆孔垂直于煤柱側(cè)的巷幫，壓裂鉆孔在距巷道底板2.0 m 的位置處打設(shè)，壓裂鉆孔以仰角26°向8101 工作面采空區(qū)施工，鉆孔直徑為50 mm，深度為28.4 m，壓裂鉆孔間的間距為20 m，頂板水力壓裂作業(yè)時的最大壓力為37.5 MPa。具體頂板水力壓裂鉆孔布置方式如圖3。

圖3 水力壓裂鉆孔布置方式示意圖

（3）臨時加強支護(hù)。根據(jù)礦井生產(chǎn)經(jīng)驗可知，8111 工作面回采期間超前支承壓力影響范圍為超前工作面40 m，因此為保障巷道回采期間的穩(wěn)定，特對5111 巷道超前支承壓力段進(jìn)行臨時加強支護(hù)。支護(hù)形式采用一梁四柱，一排采用四根單體液壓支柱配合一根π 鋼梁進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)排距1000 mm，單體液壓支護(hù)底部采用鐵鞋實現(xiàn)與底板的緊密接觸。具體超前支承壓力段的臨時加強支護(hù)如圖4。

圖4 巷道超前支承壓力段臨時加強支護(hù)示意圖（mm）

3.2 效果分析

5111 巷道在掘進(jìn)期間，在滯后掘進(jìn)迎頭5 m 的位置處布置巷道表面位移觀測站，采用十字布點法進(jìn)行圍巖變形觀測。掘進(jìn)期間每間隔2 d 進(jìn)行量測作業(yè)，持續(xù)進(jìn)行3 個月，根據(jù)觀測記錄結(jié)果能夠得出巷道表面位移曲線如圖5。

圖5 巷道掘進(jìn)期間圍巖變形曲線圖

由圖5 可知，巷道掘進(jìn)后，巷道掘出0～10 d 內(nèi)，圍巖變形速率較大；當(dāng)巷道掘出10～50 d 時，圍巖變形速率有所降低，但巷道圍巖變形仍在持續(xù)增大；當(dāng)巷道掘出50 d 后，隨著掘出時間的增大，圍巖表面位移逐漸趨于平緩，圍巖變形量逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。最終頂?shù)装搴蛢蓭妥畲笠平糠謩e為43 mm 和83 mm，巷道圍巖兩幫的移近量大于頂?shù)装宓囊平俊＿@是由于兩幫為煤體，煤體在掘進(jìn)擾動下，圍巖表面塑性區(qū)范圍較大，進(jìn)而出現(xiàn)兩幫移近量大于頂?shù)装逡平康默F(xiàn)象，但巷道掘進(jìn)期間整體變形量較小。

8111 工作面回采期間，在超前工作面57 m 的位置處布置圍巖變形觀測站，在工作面回采推進(jìn)下，持續(xù)進(jìn)行觀測分析，根據(jù)觀測結(jié)果能夠得出工作面回采期間圍巖變形量曲線如圖6。

圖6 工作面回采期間圍巖變形曲線圖

由圖6 可知，工作面回采期間，5111 巷在超前工作面40 m 時，圍巖變形速率較小，圍巖基本處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)工作面與觀測站間距離小于40 m時，圍巖變形速率開始大幅增大，且隨著測站與工作面間距離的減小，圍巖變形速率在持續(xù)增大。最終，巷道在超前工作面3 m 的位置處，頂?shù)装搴蛢蓭鸵平康淖畲笾捣謩e為537 mm 和516 mm，但圍巖變形量滿足使用要求。

4 結(jié)論

根據(jù)5111 沿空巷道的具體地質(zhì)條件，結(jié)合礦井生產(chǎn)經(jīng)驗，得出沿空巷道圍巖變形的四個特征，確定巷道支護(hù)應(yīng)采用三高錨桿索配合合理輔助構(gòu)件進(jìn)行支護(hù)，堅硬頂板應(yīng)壓裂弱化?；谙锏捞卣?，具體設(shè)計巷道掘進(jìn)期間的高強度錨桿索讓壓支護(hù)方案、回采前水力壓裂方案和回采期間超前支承壓力區(qū)一梁四柱臨時支護(hù)方案。根據(jù)巷道掘進(jìn)和工作面回采期間的圍巖變形觀測結(jié)果可知，巷道現(xiàn)有支護(hù)方案保障了圍巖的穩(wěn)定。