沙吉海煤礦綜放工作面回撤通道圍巖控制技術(shù)研究

金鳴

（國(guó)網(wǎng)能源和豐煤電有限公司 沙吉海煤礦，新疆 塔城 834400）

0 引 言

隨著煤礦井下工作面不斷推進(jìn)，當(dāng)回采靠近回撤通道時(shí)，回撤通道受到劇烈采動(dòng)影響，圍巖變形量普遍很大，尤其對(duì)于三軟厚煤層綜放工作面來(lái)說(shuō)，超前采動(dòng)影響下煤體的破壞更加嚴(yán)重，回撤通道的維護(hù)難度很大[1-5]。

針對(duì)回撤通道礦壓顯現(xiàn)劇烈，頂板維護(hù)困難的問(wèn)題，諸多學(xué)者進(jìn)行了大量研究。王兆會(huì)等[6]探究了基本頂斷裂線位置與回撤過(guò)程礦壓顯現(xiàn)的關(guān)系，提出了改變采高、工作面推進(jìn)速度、局部充填的頂板控制措施。賀艷軍等[7-9]提出調(diào)整垛架初撐力能夠減小回撤通道側(cè)煤柱疊加應(yīng)力值，減小剩余煤柱失穩(wěn)時(shí)對(duì)應(yīng)的煤柱寬度，減小直接頂對(duì)應(yīng)的跨距，避免直接頂破壞，保證回撤順利進(jìn)行。陶雷[10]等基于頂幫協(xié)同控制的原則，提出預(yù)防性的主回撤通道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案，并配合末采期間圍巖穩(wěn)定性控制措施，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好。本文在前人的研究基礎(chǔ)上，以沙吉海煤礦B10 煤層工作面回撤通道為工程背景，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與理論分析，提出了回撤空間頂板多層次耦合控制原理，形成了回撤空間頂板耦合控制方法，研究成果可為類似條件下回撤通道的圍巖控制提供參考。

1 工程背景

1.1 工程地質(zhì)條件

沙吉海煤礦位于新疆和什托洛蓋特大型煤田內(nèi)?，F(xiàn)主采B10 煤層，厚度為0.82 ～8.67 m，平均5.68 m，可采5.38 m，首采區(qū)煤層厚度3.97 ～7.98 m，平均厚度6.8 m。

沙吉海煤礦綜采工作面采用預(yù)開(kāi)回撤通道的形式，如單回撤通道、雙回撤通道，但回撤通道圍巖支承壓力較大，圍巖變形破壞較大，采前需要對(duì)回撤通道進(jìn)行單體、木垛支護(hù)以及錨索補(bǔ)強(qiáng)和注射馬麗散支護(hù)，末采時(shí)對(duì)工作面進(jìn)行掛網(wǎng)支護(hù)，工作面與回撤通道貫通后需要對(duì)單體和木垛進(jìn)行逐根回收，支護(hù)工藝繁瑣、回撤周期長(zhǎng)，回撤期間頂板維護(hù)效果欠佳，嚴(yán)重制約了工程進(jìn)度和頂板安全。

現(xiàn)準(zhǔn)備在B10 煤層的B1003W03 工作面進(jìn)行回撤通道留設(shè)，工作面上、下順槽現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際揭露煤層平均厚度在6.5~6.8 m，煤層傾角在9°~17°，煤層的分層不太明顯，但垂直大角度裂隙和垂直節(jié)理較為發(fā)育。

1.2 回撤通道區(qū)域圍巖結(jié)構(gòu)分析

為了準(zhǔn)確掌握回撤通道圍巖結(jié)構(gòu)特征，在B1003W03 運(yùn)輸順槽巷道頂板進(jìn)行頂板巖層狀態(tài)探測(cè)。在B1003W03 離回撤位置較近區(qū)域的運(yùn)輸順槽202、217、232、247 m 位置處分別布置為1、2、3、4 號(hào)等4 個(gè)鉆孔，如圖1 所示。

圖1 B1003W03 工作面鉆孔位置布置Fig.1 Borehole position layout of No.B1003W03 Face

巷道頂板圍巖主要為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、泥巖、粗砂巖，表明頂板復(fù)合特點(diǎn)顯著。其中泥巖中間出現(xiàn)煤巖互層，鉆孔可視范圍內(nèi)的淺部巖層以煤和泥巖為主；中部以砂質(zhì)泥巖為主，砂質(zhì)泥巖呈灰色，完整性較好；深部巖層以粉砂質(zhì)泥巖和粉砂巖為主，且粉砂巖整體完整性較好，表面光滑，致密性好。代表性鉆孔窺視結(jié)果如圖2 所示。

2 劇烈采動(dòng)影響期間巷道圍巖高密度深部位移監(jiān)測(cè)

為了確定巷道在工作面推進(jìn)過(guò)程中圍巖的松動(dòng)范圍，為回撤空間錨網(wǎng)支護(hù)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在B1003W03 運(yùn)輸順槽進(jìn)行了深基點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)，根據(jù)煤幫變形破壞劇烈程度預(yù)估和現(xiàn)場(chǎng)條件設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)方案，在距離B1003W03 工作面36 m 處布置測(cè)站，如圖3 所示。

圖2 B10 煤層頂板巖層結(jié)構(gòu)窺視探測(cè)結(jié)果Fig.2 Peeping detection results of roof strata structure of No.B10 Coal Seam

圖3 深部位移監(jiān)測(cè)站Fig.3 Deep displacement monitoring station

測(cè)站深部位移監(jiān)測(cè)儀設(shè)置方式為，煤柱幫布置2 個(gè)深部位移監(jiān)測(cè)儀，其中一個(gè)監(jiān)測(cè)深度為2.0 、3.0、4.0 m，另一個(gè)監(jiān)測(cè)深度為1.5、2.5、3.5 m，頂板布置2 個(gè)深部位移監(jiān)測(cè)儀，其中一個(gè)監(jiān)測(cè)深度為2.0、3.0、6.5 m，另一個(gè)監(jiān)測(cè)深度為2.5、4.0、8.0 m，根據(jù)讀數(shù)算出各點(diǎn)相對(duì)位移量，得出圍巖內(nèi)部松動(dòng)破壞范圍，圖4 為B1003W03 運(yùn)輸順槽頂板深部位移監(jiān)測(cè)結(jié)果，圖5 為B1003W03 運(yùn)輸順槽煤柱幫深部位移監(jiān)測(cè)結(jié)果。

由圖4 可以看出，頂板0~2.0 m 的變形量為10 mm，2.0~2.5 m 的變形量為30 mm，2.5~3.0 m變形量為11 mm，3.0~4.0 m 變形量為23 mm，而4.0~6.5 m 和6.5~8.0 m 位移量平均為1 mm 左右，4.0 m 范圍內(nèi)的圍巖變形占總變形量的96%。

圖4 B1003W03 運(yùn)輸順槽頂板深部位移監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.4 Monitoring results of deep displacement of roof in B1003W03 transport channel

圖5 B1003W03 運(yùn)輸順槽煤柱幫深部位移監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.5 Deep displacement monitoring results of coal pillar side in B1003W03 transport channel

如圖5 所示，煤柱幫0~1.5 m 的變形量為60 mm，而1.5~4.0 位移量?jī)H占總變形量的少量，平均約為5 mm 左右，1.5 m 范圍內(nèi)的圍巖變形破壞嚴(yán)重，占總變形量的75%。

監(jiān)測(cè)結(jié)果說(shuō)明伴隨著工作面的推進(jìn)，巷道圍巖受到采動(dòng)影響，巷道圍巖頂板松動(dòng)范圍主要發(fā)生在4.0 m 左右。煤柱幫松動(dòng)范圍主要出現(xiàn)在1.5 m左右。

對(duì)于回撤空間這一受劇烈采動(dòng)影響的區(qū)域，4 m 范圍的中部層位頂板是頂板整體穩(wěn)定的關(guān)鍵，除普通錨桿和長(zhǎng)錨索的使用，應(yīng)適量使用長(zhǎng)度不小于4.8 m 的中長(zhǎng)錨索。1.5 m 范圍內(nèi)的幫部是巷幫穩(wěn)定的關(guān)鍵，應(yīng)使用長(zhǎng)度不小于2.2 m 的錨桿進(jìn)行控制。

3 回撤空間頂板多層次耦合控制機(jī)理

相比工作面兩側(cè)回采巷道，回撤通道通常會(huì)受到劇烈采動(dòng)影響，頂板破裂深度較大，結(jié)合現(xiàn)有錨桿（索） 支護(hù)材料及支護(hù)特點(diǎn)，采用合理的頂板控制方式，對(duì)淺部、中部、深部頂板進(jìn)行針對(duì)性控制，形成多層次耦合控制方法，有效控制圍巖變形，保障工作面設(shè)備的順利回撤。

（1） 淺部層位頂板控制。

控制淺部層位頂板主要是控制淺部頂板塊狀危巖墜落以及變形破碎后的漏頂，采用高密度普通長(zhǎng)度錨桿支護(hù)方式，普通錨桿長(zhǎng)度應(yīng)大于墜落巖塊的高度，錨桿支護(hù)力應(yīng)大于可能墜落巖塊的重量。同時(shí)加以輔助材料支護(hù)防止表層頂板碎巖掉落傷人。

（2） 中部層位頂板的控制。

回撤空間頂板礦壓顯現(xiàn)劇烈、頂板自穩(wěn)能力差，中部層位頂板的控制是核心，應(yīng)充分發(fā)揮錨桿與圍巖共同形成的＂錨固體巖梁＂的作用，盡可能利用頂板圍巖這種天然的承載體，由于回撤空間頂板一般在成巷后不久，淺部圍巖即發(fā)生破壞，普通長(zhǎng)度錨桿難以發(fā)揮作用，需采用中長(zhǎng)錨索為主的支護(hù)形式。中長(zhǎng)錨索的控制作用是使中部層位頂板得到強(qiáng)化，增加錨固體巖梁極限跨距，保證錨固體巖梁穩(wěn)定性。將回撤空間中層位頂板簡(jiǎn)化為固支梁力學(xué)模型，最大彎矩發(fā)生在梁兩端，最大拉應(yīng)力：

最大剪應(yīng)力發(fā)生在梁的兩端，最大剪應(yīng)力為：

式中：L為錨固體巖梁跨度。

依據(jù)頂板錨固體巖梁破壞時(shí)滿足庫(kù)侖－莫爾強(qiáng)度準(zhǔn)則，可得：

式中：σc為錨固體巖梁?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度，MPa；σt為錨固體巖梁正拉應(yīng)力，MPa；τt為錨固體巖梁拉剪應(yīng)力，MPa；ck為頂板錨固體巖梁等效內(nèi)聚力，MPa；φk為頂板錨固體巖梁等效內(nèi)摩擦角。

錨固體巖梁得以穩(wěn)定，則不能發(fā)生中間拉應(yīng)力破壞和兩端剪應(yīng)力破壞，即[11]：

聯(lián)立式（1） ~式（5） 可得，錨固體巖梁得以穩(wěn)定，接長(zhǎng)錨桿強(qiáng)化中部層位頂板的等效內(nèi)聚力、等效內(nèi)摩擦角等強(qiáng)化參數(shù)應(yīng)滿足：

（3） 深部層位頂板的控制。

防止深部層位頂板大范圍垮塌，需要足夠的支護(hù)力和錨固范圍，主要采用大直徑長(zhǎng)錨索進(jìn)行控制，足夠的錨索長(zhǎng)度也相應(yīng)保證了錨索具有較大的延伸長(zhǎng)度，足夠的支護(hù)力也可對(duì)錨固體巖梁進(jìn)行二次強(qiáng)化，根據(jù)懸吊理論，要防止深部層位頂板大范圍垮塌，需滿足以下條件：

綜合上述分析，形成了以中長(zhǎng)錨索為主導(dǎo)的回撤空間頂板層次控制方法：輔助支護(hù)材料防止表層頂板碎巖掉落；高密度普通長(zhǎng)度錨桿控制淺部頂板危巖墜落與局部漏頂；中長(zhǎng)錨索強(qiáng)化中部層位頂板圍巖，保證錨固體巖梁的穩(wěn)定性并防止頂板大塊度冒頂；長(zhǎng)錨索控制深部層位頂板大范圍失穩(wěn)垮塌，同時(shí)二次強(qiáng)化錨固體巖梁；圍巖劣化地段支設(shè)單體液壓支柱等被動(dòng)支護(hù)形成回撤空間頂板安全的再次保障。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與監(jiān)測(cè)

根據(jù)B1003W03 工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采用回撤空間頂板多層次耦合控制機(jī)理對(duì)回撤通道進(jìn)行支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)。

頂錨桿均采用φ22 mm×2 500 mm 螺紋鋼錨桿；回撤通道寬度為5.5 m，高度為3.7 m，內(nèi)摩擦角θf(wàn)和巖石堅(jiān)固性系數(shù)f根據(jù)頂板泥巖實(shí)測(cè)值分別取15.6°和1.9，安全系數(shù)k 取2.0，根據(jù)式（7）~式（8） 可得到長(zhǎng)錨索有效長(zhǎng)度l≥5.85 m，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況長(zhǎng)錨索設(shè)計(jì)為8 300 mm，上下兩端頭、抹角區(qū)域等跨度較大區(qū)域，適當(dāng)采用規(guī)格為φ21.8 mm×9 300 mm 的長(zhǎng)錨索；由式（6） 可知，錨固巖梁的穩(wěn)定性主要由錨索支護(hù)保障，所以增設(shè)φ21.8 mm×5 300 mm 頂錨索規(guī)格。錨固劑均采用K2860 樹(shù)脂錨固劑錨固，錨索預(yù)緊力不得小于150 kN，抗拔力不得小于200 kN，錨索外露不得大于250 mm，每根錨索裝2 個(gè)K2860 樹(shù)脂錨固劑錨固。

考慮到施工方便和錨桿錨索的影響范圍，進(jìn)行了回撤空間具體支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)，第1 排和第7 排布置中長(zhǎng)錨索，規(guī)格皆為φ21.8 mm×5 300 mm，間排距為800 mm×800 mm；第2、4、6 排全部使用錨桿，規(guī)格為φ22 mm×2 500 mm，間排距為800 mm×800 mm；第3、5 排使用長(zhǎng)錨索錨索，規(guī)格為φ21.8 mm×8 300 mm，間排距為800 mm×800 mm。沙吉海煤礦綜放工作面回撤空間支護(hù)設(shè)計(jì)如圖6 所示。

圖6 回撤空間支護(hù)設(shè)計(jì)圖Fig.6 Support design of retracement space

為驗(yàn)證多層次耦合控制方法的圍巖控制效果，在回撤通道內(nèi)設(shè)置表面位移測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行巷道斷面頂?shù)装灞砻嫖灰朴^測(cè)，選取有代表性的1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)、4 號(hào)測(cè)站進(jìn)行分析，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖7 所示。

圖7 回撤通道頂?shù)装逡平縁ig.7 The displacement of the roof and floor of the retracement roadway

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，頂?shù)装逡平砍尸F(xiàn)增大的趨勢(shì)，回撤通道頂?shù)装逡平孔畲髢H為210 mm，說(shuō)明多層次耦合控制技術(shù)有效控制了圍巖變形，支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)合理。

5 結(jié) 論

（1） 根據(jù)回撤通道圍巖結(jié)構(gòu)探測(cè)結(jié)果可知，頂板巖層復(fù)合特征明顯，鉆孔淺部多出現(xiàn)煤夾層現(xiàn)象，鉆孔中深部巖層完整性和致密性較好。

（2） 基于巷道頂板圍巖高密度深部位移監(jiān)測(cè)結(jié)果，提出了以中長(zhǎng)錨索為主導(dǎo)的回撤空間頂板耦合控制方法。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明回撤通道圍巖得到有效控制，保障了工作面快速回撤。