孤島工作面回采巷道圍巖穩(wěn)定性控制研究

郭 亮

（山西汾西宜興煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 孝義 032300）

引言

在煤炭資源開采時(shí)，因受到復(fù)雜地質(zhì)地層以及采掘作業(yè)等一系列主客觀因素不利干擾，許多礦井都會產(chǎn)生類似于“孤島”的工作面。但由于受到支承壓力持續(xù)作用，會使巷道壓力逐漸開始占據(jù)主動，這無疑使巷道維護(hù)工作面臨重重難關(guān)。針對這種特殊情況，需分析并總結(jié)該工作面中回采巷道圍巖整體穩(wěn)定性特征，并探討行之有效的穩(wěn)定性控制措施。

1 巷道開采條件

某巷道埋深在636m 左右，在2#煤層底板進(jìn)行掘進(jìn)，其傾角為8°～21°，層厚在5 m～7 m范圍內(nèi)，平均厚度約6 m。頂、底板抗拉強(qiáng)度分別為43.0 MPa～157.2 MPa 和48.5 MPa～64.2 MPa，平均值分別為46.6 MPa和54.4 MPa。該工作面的采放均為3 m，總長在150 m 左右，是典型的孤島工作面。在原設(shè)計(jì)方案當(dāng)中，因孤島工作面具有應(yīng)力相對集中的特點(diǎn)，加之受到斷層的影響，故將支護(hù)方案確定為架棚U 型鋼，但實(shí)際情況中U 型鋼產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的變形，威脅生產(chǎn)安全。

2 變形破壞原因及圍巖穩(wěn)定性作用機(jī)理

該工作面的回采巷道產(chǎn)生變形破壞的主要原因有一定地域性差別，具體內(nèi)容為：巷道頂板有厚度很大的松散破碎層；圍巖的賦存狀態(tài)與構(gòu)造應(yīng)力較為復(fù)雜；采動會造成較強(qiáng)的影響；采用的支護(hù)方式屬于被動支護(hù)。采動造成的影響使回采巷道產(chǎn)生變形破壞現(xiàn)象表現(xiàn)為支承壓力，包括固定與移動支承壓力和斷層造成的影響，會使巷道圍巖變形現(xiàn)象明顯加劇，使承載結(jié)構(gòu)受到很大的影響，增大巷道維護(hù)難度。該巷道所用支護(hù)方式為被動支護(hù)，無法提供足夠的初阻力，單純是在圍巖出現(xiàn)一定變形情況后，因圍巖變形持續(xù)發(fā)展，導(dǎo)致支護(hù)阻力隨之增大，最終無法滿足圍巖變形提出的要求，導(dǎo)致圍巖穩(wěn)定性大幅降低，造成變形破壞[1]。

巷道圍巖能否保持穩(wěn)定取決于很多因素，比如圍巖強(qiáng)度如何、應(yīng)力分布情況，以及現(xiàn)有的一些支護(hù)與巷道圍巖保持的關(guān)系等等，而且這些因素往往同時(shí)存在和作用。從綜放沿空巷道角度講，它的圍巖普遍比較松軟和破碎，不僅強(qiáng)度低，而且采動作用下，還會引起基本頂形變，表現(xiàn)為肉眼可觀察到的下沉及旋轉(zhuǎn)，這樣一來就是使破裂及塑性區(qū)均得到更快的擴(kuò)展，使巷道產(chǎn)生更嚴(yán)重的變形，增加維護(hù)難度。

工作面回采期間，因工作面走向范圍內(nèi)會出現(xiàn)處于懸掛形態(tài)的巖石，所以在工作面日益推進(jìn)情況下，會受到支承壓力作用。同時(shí)，工作面兩端之前的煤體，因不同類型支承壓力的相互疊加產(chǎn)生復(fù)雜程度更高的支承壓力[2]。

對于孤島工作面，其回采巷道的基本頂一般在掘進(jìn)之前會垮落成一個與三角塊類似的結(jié)構(gòu)，由于巷道掘進(jìn)使圍巖受到的擾動僅僅是較小范圍中應(yīng)力的調(diào)整，并不會使煤體支承壓力發(fā)生太大的變化，不會給基本頂穩(wěn)定性造成直接影響，使基本頂結(jié)構(gòu)處在穩(wěn)定狀態(tài)下，保護(hù)下部回采巷，減小圍巖變形，降低巷道維護(hù)難度。

在疊加后支承壓力持續(xù)作用下，會使基本頂結(jié)構(gòu)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)與下沉，對結(jié)構(gòu)位態(tài)改變造成影響，導(dǎo)致巷道圍巖的應(yīng)力與位移均出現(xiàn)明顯變化，使穩(wěn)定性下降，加劇了圍巖應(yīng)力的調(diào)整，最終引起失穩(wěn)變形，增加巷道維護(hù)難度[3]。

3 穩(wěn)定性控制

3.1 基本原理

采用錨桿支護(hù)的方法對回采巷道圍巖進(jìn)行穩(wěn)定性控制是有足夠科學(xué)依據(jù)的。錨桿支護(hù)作為典型主動式防護(hù)措施，在指定位置裝好錨桿以后，可以為支護(hù)對象施加很大支護(hù)阻力，并能與圍巖自身變形達(dá)到協(xié)同，間接提高了圍巖強(qiáng)度，預(yù)防早期離層等異常的發(fā)生。借助錨桿來支護(hù)圍巖的作用機(jī)理為：錨桿打入圍巖后，兩者將形成錨固體，使原本破裂無聯(lián)系的煤體重新建立聯(lián)系，變?yōu)橐粋€相對可控的整體，最終起到輔助提高穩(wěn)定性的作用。

3.2 控制技術(shù)

3.2.1 選用高強(qiáng)度錨桿

巷道頂板不僅厚度可以達(dá)到8.32 m，而且穩(wěn)定性較差，煤體與巖體相復(fù)合，由于受到基本頂結(jié)構(gòu)持續(xù)作用，導(dǎo)致整體下沉量相對較大。對此，在支護(hù)過程中應(yīng)優(yōu)先考慮高強(qiáng)度錨桿，使形成的錨固體有足夠強(qiáng)度與剛度，從而承受更大載荷[4]。

3.2.2 對樹脂藥卷進(jìn)行加長錨固

因頂部煤層較為軟弱，所以破碎的煤體和樹脂藥卷之間的粘結(jié)力相差，對此，對其進(jìn)行端頭錨固，可起到避免給錨固力帶來負(fù)面影響的功效。因工作面在回采采動作用下其劈裂區(qū)還會出現(xiàn)向上的發(fā)展趨勢，這也是頂煤越向上越破碎與松動的主要原因，而且一旦頂煤錨桿孔出現(xiàn)了松動現(xiàn)象，將導(dǎo)致整個錨桿均失去效用，所以在端頭錨固的基礎(chǔ)上還應(yīng)進(jìn)行加長錨固。

3.2.3 由孔徑不大的錨索來加強(qiáng)支護(hù)

早期離層對工作面的影響表現(xiàn)為在離層嚴(yán)重到一定程度后，將引起頂板失穩(wěn)，繼而發(fā)生以跨落最為常見的現(xiàn)象。為預(yù)防這些事故的發(fā)生，借助孔徑不大的錨索來加強(qiáng)支護(hù)是經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證的一種有效方法。為使錨索充分發(fā)揮自身支護(hù)作用，其長度不能低于8.0 m[5]。

3.2.4 增加預(yù)緊力

如果錨桿的預(yù)緊力可以提高到15-30 kN，則除了能對掘進(jìn)過程中的圍巖變形予以嚴(yán)格控制，還能實(shí)現(xiàn)對回采過程中的圍巖變形進(jìn)行有效控制?；诖耍撓锏赖腻^桿預(yù)緊力必須達(dá)到20 kN 以上。

3.2.5 使護(hù)頂以及護(hù)幫有更高強(qiáng)度

在以上各項(xiàng)支護(hù)措施基礎(chǔ)上還引入金屬網(wǎng)與鋼筋梯子梁，用此避免破碎程度較大的煤體發(fā)生冒落，為錨桿提供良好外部受力點(diǎn)，避免深部煤體發(fā)生松動，保證錨桿支護(hù)效果。錨桿支護(hù)巷道斷面，如圖1 所示。

圖1 錨桿支護(hù)巷道斷面（單位：mm）

4 控制效果

為了對該巷道掘進(jìn)時(shí)與工作面回采時(shí)圍巖遵循的活動規(guī)律，需對原支護(hù)措施與新支護(hù)措施起到的控制作用做逐個考察，用于明確支護(hù)參數(shù)合理與否。掘進(jìn)操作期間，對原支護(hù)措施與新支護(hù)措施均布設(shè)3 個測點(diǎn)，用來動態(tài)監(jiān)測圍巖狀態(tài)（位移），監(jiān)測需包含的內(nèi)容有：巷道頂板位移量、巷道底板位移量、底鼓量、巷道兩幫位移量。根據(jù)實(shí)際觀測結(jié)果可知，在掘進(jìn)過程中，與迎頭相距150 m～200 m 時(shí)，兩種支護(hù)方式均能使圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，特別是打入錨桿的巷道，可在掘進(jìn)操作開始后不長時(shí)間即能進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)；該巷道的頂板位移量、底板位移量、底鼓量、巷道兩幫位移量都比打入錨桿前小，有效控制了圍巖變形，起到了良好的支護(hù)效果[6]。

對于孤島工作面，其回采巷道的錨桿支護(hù)和原支護(hù)方法在經(jīng)濟(jì)效益上的對比情況為：該巷道的維護(hù)現(xiàn)狀較好，通過打入錨桿，該巷道的頂板位移量、底板位移量、底鼓量、巷道兩幫位移量均顯著減小，使巷道頂板整體穩(wěn)定性及安全可靠性均得以提高；能有效加快實(shí)際的掘進(jìn)速度，減少支護(hù)材料的消耗，并縮短用于材料搬運(yùn)等方面的時(shí)間；采用新支護(hù)措施后還能降低人員的勞動強(qiáng)度，因?yàn)閁 型支架重量很大，需要人工搬運(yùn)，所以采用新支護(hù)措施后能減輕這部分勞動強(qiáng)度，而且錨桿與錨索施工可實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，能進(jìn)一步減輕勞動強(qiáng)度，減少用人，對提高經(jīng)濟(jì)效益也有很大的幫助；支護(hù)成本相對較低，單位長度巷道可減少近2 700 元的支護(hù)費(fèi)用；錨桿支護(hù)措施施工后所需維護(hù)成本也相對較低，尤其是采用高強(qiáng)度錨固后，能極大的減少維護(hù)施工中的各類支護(hù)材料及器具的使用，縮減由此產(chǎn)生的費(fèi)用，通過先前的估算，每米即可節(jié)省880 元左右的維護(hù)成本[7]。

5 結(jié)語

對于類似于“孤島”的工作面，其回采巷道的基本頂會在巷道掘進(jìn)之前由于垮落形成一個與三角形類型的結(jié)構(gòu)，對此，采用強(qiáng)度和預(yù)緊力均較高的錨桿，通過加長錨固和錨索進(jìn)行支護(hù)，能改善巷道圍巖受力，消除負(fù)面效應(yīng)，同時(shí)減輕對圍巖變形帶來的影響，實(shí)現(xiàn)對巷道變形現(xiàn)象的有效控制。另外，根據(jù)實(shí)踐效果通過綜合對比可知，以錨桿為核心的巷道支護(hù)措施比原支護(hù)措施的效果好，且經(jīng)濟(jì)效益更加明顯，能減少施工時(shí)的勞動強(qiáng)度、材料投入，以及后期維護(hù)成本。