臨近采空區(qū)切眼留巷圍巖穩(wěn)定控制技術(shù)

馬資敏，王彥軍，王海杰，蘇 毅，馬 磊

(1.山東理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東 淄博 255000；2.深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山西銀鋒分中心，山西 太原 030000；3.山西銀鋒科技有限公司，山西 太原 030000；4.山西黃土坡鑫運(yùn)煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 046599；5.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

采區(qū)中部工作面開(kāi)采留兩巷或者沿空留巷為便于形成Y型通風(fēng)系統(tǒng)，需將開(kāi)切眼在工作面初采后保留住。目前沿空留巷技術(shù)主要分為兩大類，一是以被動(dòng)支護(hù)為主的巷旁充填沿空留巷，二是以改善頂板結(jié)構(gòu)為主的切頂卸壓沿空留巷技術(shù)。針對(duì)沿空留巷圍巖控制研究，張農(nóng)等[1]基于巷旁充填體剛度匹配原則，提出沿空留巷結(jié)構(gòu)需整體強(qiáng)化的控制思路；李化敏[2]通過(guò)分析沿空留巷頂板巖層運(yùn)動(dòng)特征，明確了巷旁充填體在頂板巖層運(yùn)動(dòng)各階段的不同作用，確定了各階段充填體支護(hù)阻力的控制設(shè)計(jì)原則和數(shù)學(xué)模型；康紅普等[3]通過(guò)深部沿空留巷實(shí)踐，指出采用高預(yù)應(yīng)力錨桿/索作為巷內(nèi)基本支護(hù)，結(jié)合單體支柱及充填膏體支護(hù)，能夠有效控制變形，保持留巷穩(wěn)定；華心祝等[4]建立了考慮巷幫煤體承載作用和巷旁錨索加強(qiáng)作用的沿空留巷力學(xué)模型，開(kāi)展了錨桿支護(hù)巷道巷旁錨索加強(qiáng)支護(hù)沿空留巷圍巖控制機(jī)理研究及應(yīng)用研究；張吉雄等[5]通過(guò)數(shù)值模擬分析表明當(dāng)充填支護(hù)體寬度大于2.5m并采用錨帶網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，充填體變形可得到有效控制。何滿潮等[6]提出了切頂卸壓沿空留巷新工藝，陳上元[7，8]、李愛(ài)軍[9]、馬新根[10]等不同賦存條件下的定向預(yù)裂聚能爆破、恒阻大變形錨索、圍巖注漿及巷旁密集單體支柱等圍巖控制技術(shù)。高喜才[11]等根據(jù)復(fù)合頂板切頂沿空留巷圍巖變形特征提出了分區(qū)域多介質(zhì)耦合支護(hù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)留巷圍巖有效控制。

上述研究成果主要應(yīng)用于工作面巷道的留巷作業(yè)，目前開(kāi)切眼留巷技術(shù)研究較少。目前主要針對(duì)厚層堅(jiān)硬頂板條件下的開(kāi)切眼實(shí)施水壓致裂[12，13]或深孔預(yù)裂爆破技術(shù)[14]，以減小初次來(lái)壓步距及降低初次來(lái)壓強(qiáng)度。張琦等[15]采用初采架后充填方式實(shí)現(xiàn)開(kāi)切眼留巷，并分析了開(kāi)切眼頂板破斷特征及圍巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律?？芍醒哿粝镯敯暹\(yùn)動(dòng)特征不同于巷道留巷，壓力明顯增加。同時(shí)當(dāng)切眼臨近采空區(qū)時(shí)，傳統(tǒng)巷旁充填方式來(lái)進(jìn)行切眼留巷圍巖控制難度大。提出將切頂卸壓技術(shù)與主被動(dòng)支護(hù)技術(shù)相結(jié)合的控制思路，實(shí)現(xiàn)臨近采空區(qū)切眼留巷圍巖穩(wěn)定控制。

1 工程背景

山西長(zhǎng)治鑫運(yùn)煤業(yè)9#煤層一采區(qū)9108工作面采用沿空留巷技術(shù)，根據(jù)生產(chǎn)需求，開(kāi)采初期對(duì)工作面兩條巷道及切眼實(shí)施留巷。其中9108切眼留巷長(zhǎng)度210m，距離9108回風(fēng)巷約60m傾斜范圍臨近采空區(qū)，煤柱寬度1.2～5m。切眼留巷布設(shè)及臨近采空區(qū)的塑性煤柱區(qū)域如圖1所示。

9108工作面埋深120m，煤層厚度2.2m，采高2.2m。煤層底板為6.25m泥巖，頂板為7.05m K2石灰?guī)r，厚層狀，質(zhì)堅(jiān)硬，性脆，最大抗壓強(qiáng)度137MPa，最大抗拉強(qiáng)度4.70MPa，為難冒落的厚層堅(jiān)硬頂板。工作面頂?shù)装鍘r層性質(zhì)如圖2所示。

切眼寬度6.5m，高2.7m，沿頂板掘進(jìn)期間采用錨網(wǎng)索支護(hù)。頂板錨索選用?17.8mm鋼絞線，長(zhǎng)6m，間排距1800mmmm×1600mm，每排4根，邊錨索距幫1200mm；頂錨桿選用?20×1950mm螺紋鋼錨桿，間排距900mm×800mm，每排8根；幫部選用?20mm×1800mm螺紋鋼錨桿，錨桿按照間排距800mm×800mm布置，每排4根。

2 切眼留巷關(guān)鍵技術(shù)及工藝流程

2.1 采前“定向預(yù)裂+松動(dòng)爆破”組合卸壓技術(shù)

切眼留巷在保證滿足生產(chǎn)條件的基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮留巷變形的影響，按照計(jì)算的最小寬度進(jìn)行留設(shè)。切眼掘進(jìn)后，安裝支架等設(shè)備，回采前在支架頂梁前部距非采煤幫4m定向預(yù)裂切縫及松動(dòng)爆破，如圖3所示。定向預(yù)裂切縫采用密集鉆孔與聚能管不耦合裝藥的形式，實(shí)現(xiàn)了采后留巷頂板與采面頂板分離，降低了采動(dòng)頂板運(yùn)動(dòng)影響和采動(dòng)應(yīng)力的傳遞效率。松動(dòng)爆破主要目的是增加堅(jiān)硬頂板的破碎度，使得初采階段架后冒落及時(shí)，避免架后長(zhǎng)懸頂垮落時(shí)的沖擊作用。

2.2 隨采隨支圍巖主動(dòng)支護(hù)技術(shù)

工作面初采向前推進(jìn)，支架帶壓移架造成原有錨索破壞甚至失效，同時(shí)煤柱受集中應(yīng)力影響變形，因此需要對(duì)煤幫和頂板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。隨著工作面向前回采，每割2刀煤，液壓支架后方補(bǔ)上一排恒阻錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，使其懸吊于上覆穩(wěn)定巖層，同時(shí)在煤幫補(bǔ)打錨固段位于頂板的普通錨索，如圖4所示。

2.3 采后巷內(nèi)高強(qiáng)被動(dòng)支護(hù)技術(shù)

當(dāng)主動(dòng)支護(hù)完成，工作面支架尾梁通過(guò)切頂線后，及時(shí)架設(shè)擋矸支護(hù)體系，并對(duì)采空區(qū)進(jìn)行密閉處理。同時(shí)在擋矸側(cè)及煤柱側(cè)架設(shè)木垛永久被動(dòng)支護(hù)頂板，支設(shè)單體棚臨時(shí)支護(hù)頂板，如圖5所示。

工作面持續(xù)向前推進(jìn)，裂隙發(fā)育頂板開(kāi)始在架后沿切頂線隨采隨冒，及時(shí)碎脹充填采空區(qū)，降低了采動(dòng)對(duì)切眼留巷的擾動(dòng)影響，并對(duì)短臂梁及上覆巖層起到支撐作用，利于切頂留巷圍巖的穩(wěn)定，如圖6所示。圍巖運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定后，可進(jìn)行單體回撤。

3 工程應(yīng)用及效果

3.1 頂板預(yù)裂參數(shù)設(shè)計(jì)及效果

為保證厚層灰?guī)r頂板能夠高效切斷，設(shè)計(jì)密集定向切縫孔深8m，沿開(kāi)切眼走向直線布設(shè)，鉆孔與水平線夾角為75°，切縫孔間距500mm，聚能管長(zhǎng)1.5m，每孔4根聚能管，采用200g/卷炸藥，裝藥結(jié)構(gòu)“4+4+3+3”，封泥長(zhǎng)度2m。爆破后對(duì)鉆孔進(jìn)行窺視和裂縫率分析，裂縫率大于90%，爆破效果好，如圖7所示。

為增強(qiáng)頂板垮落充填效果，進(jìn)行松動(dòng)爆破。沿切縫線每隔5m布設(shè)一組2個(gè)鉆孔，孔深9m和10m，鉆孔角度與水平夾角分別為60°和45°，連續(xù)裝藥實(shí)施爆破致裂。

3.2 錨索加強(qiáng)支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)及效果

為使恒阻錨索在留巷的過(guò)程中發(fā)揮較好的懸吊作用，恒阻錨索長(zhǎng)度一般高于切頂高度1～2m，并確保錨固端位于穩(wěn)定巖層內(nèi)。結(jié)合頂板巖層分布情況及切頂參數(shù)，恒阻錨索設(shè)計(jì)長(zhǎng)度9.3m。布設(shè)3列恒阻錨索，間排距1500mm×1000mm。錨索直徑21.8mm，，預(yù)緊力25kN。受動(dòng)壓擾動(dòng)影響，恒阻錨索達(dá)到恒阻力后發(fā)生讓壓變形，前后觀測(cè)錨索鎖具縮進(jìn)量為35mm，如圖8所示。

錨索讓壓變形表明，在頂板垮落及上覆巖梁斷裂運(yùn)動(dòng)期間，恒阻錨索發(fā)揮了350kN高恒阻力的支護(hù)工效，避免了錨索受拉破斷現(xiàn)象，達(dá)到了頂板耦合支護(hù)效果。

實(shí)體煤幫采用普通錨索加強(qiáng)支護(hù)，排距2000mm，距離底板1400mm，與水平夾角45°。采用?15.24×6000mm的鋼絞線，預(yù)緊力160kN。

3.3 巷道被動(dòng)支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)及效果

架后先掛設(shè)菱形金屬網(wǎng)，后掛設(shè)風(fēng)筒布密閉，在支設(shè)擋矸U型鋼時(shí)同時(shí)掛設(shè)鋼筋網(wǎng)，擋矸U型鋼采用兩根2m長(zhǎng)36#U型鋼利用卡蘭搭接組成。為增強(qiáng)擋矸U型鋼整體穩(wěn)定性，利用連桿進(jìn)行兩兩連接，如圖9所示。

留巷內(nèi)采用“木垛+單體棚”聯(lián)合被動(dòng)支護(hù)形式，木垛每隔5m一架，兩側(cè)木垛交替布設(shè)。單體棚為一梁四柱支護(hù)形式，留巷支護(hù)效果如圖10所示。

3.4 切眼留巷圍巖變形規(guī)律

采用十字測(cè)點(diǎn)觀測(cè)分析法得到切眼留巷圍巖變形規(guī)律如圖11所示。

切眼留巷頂?shù)装逡平繛?70mm，其中底鼓量為376mm，占總移近量的80%，表明堅(jiān)硬頂板、軟弱底板條件下的切頂留巷，圍巖變形量主要以底鼓為主。兩幫移近量277mm，煤幫變形量為主。滯后工作面約280m圍巖基本穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

1)堅(jiān)硬頂板條件下工作面初采頂板易出現(xiàn)懸頂面積大、初壓顯現(xiàn)劇烈等現(xiàn)象，加之切眼臨近采空區(qū)，均為切眼留巷圍巖控制增加困難。針對(duì)性的提出了頂板卸壓、圍巖主動(dòng)支護(hù)、高強(qiáng)度被動(dòng)加固的綜合圍巖控制技術(shù)方案。

2)提出了臨近采空區(qū)切眼留巷關(guān)鍵技術(shù)流程。切眼貫通安裝完支架后，采前實(shí)施“定向預(yù)裂+松動(dòng)爆破”組合卸壓技術(shù)；隨采隨支圍巖主動(dòng)支護(hù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了采后煤幫及頂板的主動(dòng)加強(qiáng)支護(hù)；支架移出留巷范圍，實(shí)施巷內(nèi)高強(qiáng)被動(dòng)支護(hù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)矸石幫及頂板在動(dòng)壓期間的穩(wěn)定性支護(hù)。

3)將上述技術(shù)及工藝在試驗(yàn)礦井開(kāi)展工程實(shí)踐，并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果表明切眼留巷圍巖控制效果較好?！岸ㄏ蝾A(yù)裂+松動(dòng)爆破”組合卸壓技術(shù)的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了90%的傾向單裂縫面及架后采空區(qū)頂板及時(shí)冒落，改善了圍巖結(jié)構(gòu)；采后及時(shí)采區(qū)主被動(dòng)支護(hù)加固圍巖控制變形，采用“幫部加強(qiáng)錨索+頂板恒阻錨索+擋矸密閉”支護(hù)圍巖。工作面推進(jìn)280m時(shí)切眼留巷圍巖穩(wěn)定，留巷斷面滿足生產(chǎn)需求。