采煤工作面超前段圍巖變形控制技術(shù)研究

岳 華

（山西焦煤汾西礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司高陽(yáng)煤礦，山西 孝義 032306）

引言

隨著礦井采掘深度及開采強(qiáng)度增加，回采巷道圍巖控制難度不斷加大，特別是回采巷道受多次采動(dòng)壓力影響時(shí)圍巖控制困難[1-2]。采煤工作面超前支護(hù)段在采空區(qū)側(cè)向壓力以及采面超前支承壓力等共同作用下，煤巖體破碎且圍巖變形量大[3]?，F(xiàn)階段礦井采煤工作面常用的超前支護(hù)措施以單體支柱、工字鋼等構(gòu)成的邁步式架棚為主，存在支護(hù)強(qiáng)度小、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題[4-5]。注漿是提高破碎煤巖體穩(wěn)定性以及承載能力主要技術(shù)手段，超前支架具有支護(hù)范圍長(zhǎng)、支護(hù)強(qiáng)度大以及自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)[6]。為此，本文以山西某礦3507 回風(fēng)巷超前支護(hù)為工程實(shí)例，針對(duì)回風(fēng)巷在多次采動(dòng)壓力作用下出現(xiàn)圍巖破碎、變形嚴(yán)重問(wèn)題，提出綜合使用注漿、超前支架等措施對(duì)超前段圍巖進(jìn)行控制，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得較好成果。

1 3507 回風(fēng)巷概況

山西某礦3507 回風(fēng)巷主要服務(wù)于采面回風(fēng)、行人，3506 工作面開采的5 號(hào)煤層埋深介于390～420 m，煤層傾角介于5°～8°，厚度3.5 m，賦存穩(wěn)定，為全區(qū)可采煤層。3507 回風(fēng)巷沿著5 號(hào)煤層頂板掘進(jìn)，煤層頂?shù)装逡阅鄮r、細(xì)粒砂巖以及砂質(zhì)泥巖等為主，具體頂?shù)装鍘r性參數(shù)見表1。

表1 5 號(hào)煤層頂?shù)装鍘r性

具體3507 回風(fēng)巷位置如圖1 所示，巷道兩側(cè)分別為3505 采面回風(fēng)巷、3507 瓦斯抽采巷，留設(shè)的護(hù)巷煤柱寬度分別為20 m、15 m。3507 回風(fēng)巷設(shè)計(jì)斷面為矩形，圍巖采用錨網(wǎng)索支護(hù)工藝，設(shè)計(jì)掘進(jìn)長(zhǎng)度為1 926 m。3507 回風(fēng)巷受鄰近巷道掘進(jìn)以及3505 采面回采影響較為明顯，巷道圍巖裂隙。在3507 工作面回采期間，超前支護(hù)段圍巖裂隙發(fā)育，圍巖變形量大、超前支護(hù)難度高。

圖1 3507 回風(fēng)巷位置示意圖

2 超前支護(hù)段圍巖變形特征及受力分析

2.1 圍巖變形特征

3507 回風(fēng)巷受到臨近的3505 采面采動(dòng)、采面瓦斯巷掘進(jìn)以及后續(xù)3507 采面回采引起的采動(dòng)壓力等綜合影響，在多次采掘壓力影響下3507 回風(fēng)巷圍巖裂隙發(fā)育?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，3507 回風(fēng)巷在采面超前50 m 范圍內(nèi)圍巖出現(xiàn)明顯收斂，在超前采面20 m 以內(nèi)范圍時(shí)巷道頂?shù)装迨諗苛孔畲罂蛇_(dá)到700～1 200 mm、兩幫收斂量可達(dá)到1 850～2 200 mm?；仫L(fēng)巷超前段圍巖變形嚴(yán)重給巷道正常使用帶來(lái)較大制約。

2.2 圍巖受力分析

采用數(shù)值模擬技術(shù)方法對(duì)3507 回風(fēng)巷圍巖受力情況進(jìn)行模擬分析，具體模擬結(jié)果如下頁(yè)圖2 所示。從圖2 中看出，采面瓦斯以及回風(fēng)巷掘進(jìn)后回風(fēng)巷周邊出現(xiàn)一定程度應(yīng)力集中，應(yīng)力峰值最大可達(dá)到10.3 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)約為1.2，具體應(yīng)力分布云圖如圖2-1 所示；鄰近的3505 工作面回采期間，在開采引起的超前支承壓力作用下3507 回風(fēng)巷圍巖中應(yīng)力峰值最大可達(dá)到25 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)約為2.91，具體應(yīng)力分布云圖如圖2-2 所示；在3505 工作面采空區(qū)后方，受到采空區(qū)頂板彎曲、下沉引起的側(cè)向應(yīng)力在煤柱內(nèi)集中，應(yīng)力峰值可達(dá)到56 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)約為6.53，具體應(yīng)力分布云圖如圖2-3 所示；在3507工作面回采后，回采引起的超前支承壓力與鄰近3505 采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力疊加，導(dǎo)致圍巖應(yīng)力進(jìn)一步集中，最大應(yīng)力可達(dá)到86 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)約為10.02，具體應(yīng)力分布云圖如圖2-4 所示。從模擬結(jié)果看出，3507 回風(fēng)巷圍巖應(yīng)力集中，在采動(dòng)作用下圍巖裂隙發(fā)育，從而導(dǎo)致圍巖變形量較大、控制難度高。

圖2 3507 回風(fēng)巷圍巖受力模擬結(jié)果

3 超前支護(hù)技術(shù)應(yīng)用

由于3507 回風(fēng)巷圍巖應(yīng)力集中、裂隙發(fā)育，為此提出綜合注漿、超前支架對(duì)回風(fēng)巷超前段進(jìn)行支護(hù)。

3.1 超前注漿

在3507 回風(fēng)巷內(nèi)進(jìn)行超前注漿，通過(guò)注漿封堵裂隙并提高巷道圍巖整體強(qiáng)度及穩(wěn)定性，降低圍巖整體變形量。注漿材料選擇使用化學(xué)注漿材料GRT-101，該注漿材料具備滲透性強(qiáng)、固結(jié)效果明顯等特點(diǎn)，注入到圍巖裂隙中后可有效減少圍巖變形量。在巷道頂板、巷幫均布置注漿鉆孔，在巷幫位置距離巷道頂板1 000 mm 位置按照10°～15°仰角施工注漿鉆孔、在距離巷道底板600 mm 位置按照10°～15°俯角施工注漿鉆孔，巷幫布置的注漿鉆孔孔深統(tǒng)一為6 000 mm，鉆孔按照2 000 mm 間距布置；在巷道頂板靠近巷道中部布置2 排注漿鉆孔，鉆孔孔深均為6 000 mm、間距為2 000 mm。注漿按照先巷幫后頂板順序施工，采用中孔注漿錨索配合注漿。

注漿期間注漿壓力控制在6～8 MPa，單孔注漿量控制在150～260 kg，并依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)整終孔注漿壓力以及注漿量。

3.2 超前支架支護(hù)

對(duì)3507 回風(fēng)巷超前支護(hù)段圍巖注漿加固后，綜合采用ZH3200/25/45 超前支架對(duì)巷道進(jìn)行超前支護(hù)，具體采用的超前支架技術(shù)規(guī)格見表2。回風(fēng)巷超前支護(hù)段使用的超前支架包括4 架，支架移架步距為800 mm，鄰近支架間有油缸可實(shí)現(xiàn)防倒、偏斜、自動(dòng)移架等功能；同時(shí)支架結(jié)構(gòu)為窄型四連桿，可滿足狹小空間巷道通風(fēng)需要，降低巷道期間液壓支架通風(fēng)阻力。

表2 超前支架規(guī)格參數(shù)

在超前支護(hù)時(shí)對(duì)回風(fēng)巷內(nèi)原有的支護(hù)體系中失效的錨桿、錨索及附屬配件等進(jìn)行更換，充分發(fā)揮原有的支護(hù)體系效果；超前支架與新施工的注漿錨索共同配合對(duì)回風(fēng)巷超前支護(hù)段圍巖變形進(jìn)行控制。具體現(xiàn)場(chǎng)采用的超前支架布置情況如圖3 所示。

圖3 超前支架布置示意圖

4 采面超前段圍巖控制效果分析

3507 回風(fēng)巷綜合使用注漿、超前支架對(duì)圍巖進(jìn)行支護(hù)，為考察圍巖控制效果，采用“十字法”對(duì)巷道表面圍巖收斂量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具體監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4 所示。從監(jiān)測(cè)結(jié)果看出，在超前支護(hù)段圍巖變形量隨著與采面距離減小呈增加趨勢(shì)，在超前采面50 m 以外區(qū)域巷道圍巖基本不出現(xiàn)變形；在超前支護(hù)段回風(fēng)巷頂?shù)装?、兩幫最大收斂量分別控制在114 mm、121 mm以內(nèi)，圍巖變形量整體較小，可滿足回風(fēng)巷使用需求。

圖4 圍巖變形量監(jiān)測(cè)結(jié)果

5 結(jié)論

1）3507 回風(fēng)巷超前支護(hù)段受到鄰近3505 采面采動(dòng)壓力、采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力以及3507 工作面采動(dòng)壓力多重影響，圍巖應(yīng)力集中、裂隙發(fā)育，回風(fēng)巷圍巖裂隙發(fā)育、圍巖應(yīng)力集中，從而使得后續(xù)圍巖變形量大、支護(hù)難度高。

2）在對(duì)3507 回風(fēng)巷圍巖變形特征以及圍巖應(yīng)力分布分析基礎(chǔ)上，提出綜合使用超前注漿、超前支架對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)，并依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)超前注漿方案、超前支架布置等進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3）現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用后，3507 回風(fēng)巷超前支護(hù)段圍巖變形得以有效控制，監(jiān)測(cè)期間頂?shù)装濉蓭褪諗苛糠謩e控制在114 mm、121 mm 以內(nèi)，同時(shí)采用的超前支架支護(hù)強(qiáng)度大、自動(dòng)化程度高，可有效減少作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度。