燕子山礦“多重”應力疊加環(huán)境下圍巖控制技術

王 鎮(zhèn)

（晉能控股煤業(yè)集團有限公司燕子山礦，山西 大同 037037）

1 工程概況

8210 工作面位于山4#層302 盤區(qū)，西部為山4#層可采邊界線，北部為8212 采空區(qū)，東部為山4#盤區(qū)巷，南部為實煤區(qū)。工作面標高924～968 m，走向長度2756 m，傾向長度180.5 m，傾角3°，面積497 458 m2。

本工作面周圍及上下層開采關系：山4#層8210 工作面對應上覆為馬脊梁礦侏羅系11#層8507～8501、8301～8305（綜采）及泉子溝煤礦、馬脊梁礦公司井采空區(qū)（刀柱式開采），煤層厚 度3.83～4.00/3.94 m，14-2#層8511、8509、8301～8311、8101 采 空 區(qū)（綜 采）及 小 蒜 溝 煤礦、黃土溝煤礦采空區(qū)（刀柱式開采），煤層厚度4.47～4.76/4.60 m。山4#層 與11#層 層 間 距 為184～209/199 m，與14-2#層層間距為168～183/177 m。8210 工作面層間對照圖如圖1。

圖1 8210 工作面層間對照圖

2 應力環(huán)境分析

2.1 同層及上覆關系

同層為：相鄰工作面8212 工作面于2018 年7月份停采，本工作面于2020 年1 月份開采，8212工作面采空區(qū)影響5210 巷范圍為采位237～2590 m。8210 工作面尾超前受采動影響：尾超前25 m巷道出現(xiàn)底鼓和頂板下沉，頂板鋼帶變形，尾超前25～100 m 范圍巷道頂板出現(xiàn)網(wǎng)包和裂縫。

上覆關系：從層間對照圖中可以看到上覆煤柱分布范圍最廣的為14-2#層，基本全是面間煤柱，與本工作面成垂直布置，影響范圍為20～74 m 不等。

2.2 應力分析

8210 工作面尾巷同時受到上覆煤柱應力、臨空應力及本工作面超前應力“多重”應力共同疊加影響[1]，而且是一動兩靜。隨著工作面的推進[2]，超前支承壓力的變化勢必會引起已經(jīng)處于平衡狀態(tài)的上覆應力及臨空應力的突變，造成一個短暫的應力突然釋放，對于巷道的維護十分困難[3]。巷道最嚴重的礦壓顯現(xiàn)十分明顯，最大時的變形量超過斷面的1/3。

3 設計方案

在原先超前支護的基礎上，通過“增加錨索鋼梁、木垛加強支護+施工卸壓槽釋放壓力”的治理思路進行處理。具體方案如下：

（1）原支護形式

掘進期間巷道支護：巷道為矩形斷面，巷道斷面規(guī)格寬4.0 m，高3.3 m，頂板采用錨桿、錨索和金屬網(wǎng)混合支護，支護的形式為四排錨桿支護，錨桿規(guī)格為Ф20 mm×2400 mm，間距為1000 mm，排距為900 mm；兩排錨索支護，錨索規(guī)格為Ф17.8 mm×7000 mm，排距為2000 mm，間距為3000 mm。兩幫采用錨桿與金屬網(wǎng)混合支護，支護形式為三排錨桿支護，錨桿規(guī)格為Ф18 mm×1700 mm，上排錨桿距頂板600 mm，間距為1000 mm，排距1000 mm。5210 巷支護斷面圖如圖2。

圖2 5210 巷支護斷面圖（mm）

回采期間超前支護：三梁三柱，支護范圍100 m，支護材料采用DW-X45 型單體柱支護配1.0 m 長π型梁，柱距1m，排距1.05 m。5210 超前支護示意圖如圖3。

圖3 5210 超前支護示意圖（mm）

（2）加固方案

支設木垛：沿煤柱側支設“#”字垛，外間距2 m，使用1.0 m長道木構筑#字垛。若頂板壓力持續(xù)增大，尾超前巷道高度低于1.8 m 時，再根據(jù)現(xiàn)場情況調整支護方式，如沿工作面?zhèn)仍傺a打一排木垛。

鋼梁錨索：施工傾向鋼梁，使用3.5 m 長3眼鋼梁，眼距1.5 m，鋼梁搭接布置；錨索規(guī)格Ф17.8 mm×6300 mm。5210 巷加強支護示意圖如圖4。

圖4 5210 巷加強支護示意圖（mm）

（3）卸壓槽

結合現(xiàn)場情況，考慮為“多重”壓力疊加，應力的增加不是簡單的倍數(shù)關系，再加上工作面超前應力動態(tài)變量[4]，將會引起穩(wěn)定平衡應力的突然釋放，再大的支護強度將難以抵抗這個突變，一味地抵抗不如先抵抗后釋放，故而在原先加強支護的基礎上增加了卸壓槽[5]，以此來釋放一部分壓力，尤其是瞬間突變的應力。

對應上覆為馬脊梁礦14-2#層8303-8311、8101-8301 面 間 煤 柱， 采 位1065～1095 m、1240～1314 m、1460～1480 m、1628～1648 m、1800～1820 m、1972～1992 m 等范圍施工卸壓槽，規(guī)格500 mm×500 mm，距工作面?zhèn)?00 mm。卸壓槽示意圖如圖5。

圖5 5210 巷卸壓槽示意圖（mm）

4 現(xiàn)場效果跟蹤

（1）由于前期采取的措施只是簡單的補強支護為錨索鋼梁+木垛，跟蹤一段時間后，效果不理想，雖得到一定的控制，但是強礦壓顯現(xiàn)時有發(fā)生：多處錨索、錨桿斷裂，鋼帶斷裂，甚至錨索索頭被壓出、底鼓嚴重，超過1.0 m，支設的木垛被壓扁等。

開挖卸壓槽之后，卸壓槽有效地吸收“多重”應力的突變釋放，減少了對原支護及圍巖的載荷，使得支護既能抵抗壓力又不失效。期間通過巷道位移觀測的方法對巷道進行了礦壓觀測，其觀測對比結果如下：經(jīng)對治理前后超前100 m 范圍內設置的10 個巷道位移觀測點收集數(shù)據(jù)對比分析，如圖6，卸壓槽吸收了絕大部分的底鼓量，巷道底板的底鼓量明顯減少，經(jīng)連續(xù)實測之后巷道的變形量也明顯減少，頂?shù)装逡平坑勺畲蟮?400 mm 減少為400 mm，兩幫移近量也由1000 mm 減少為400 mm。

圖6 5210 巷超前100 m 治理前后巷道位移數(shù)據(jù)對比圖

同時，錨桿、錨索、鋼梁斷裂的情況明顯減少，只有局部鋼帶彎折、頂板出現(xiàn)網(wǎng)包?，F(xiàn)場效果十分明顯，在保證安全開采的前提下，有效地提高了回采效率，為保障礦井的產(chǎn)量提供了有力的支撐。

5 結論

（1）針對“多重”應力疊加突變等環(huán)境下的巷道維護，“強支+卸壓”的治理方案較一味“強支”的效果更佳。

（2）強支可以有效地提升圍巖的自身承載能力，抵抗高應力環(huán)境，但是對于變化的，尤其是突變的應力環(huán)境適應性不大，而卸壓能有效地消耗掉突變的應力，很好地適應突變的應力環(huán)境。

（3）面對底鼓量大，后期處理存在加大安全隱患的問題，通過提前施工卸壓槽的方法，一是可以減少底鼓，二是可以將多余的底鼓浮渣回填，減少處理底鼓的工作量及提高安全性。