綜放工作面軟底沿空留巷圍巖控制技術(shù)研究

朱鵬華

（霍州煤電集團(tuán)云廈建筑工程有限公司白龍礦建分公司，山西 霍州 031400）

1 工程概況

木瓜煤礦現(xiàn)階段主采9#、10#煤層，10-201 工作面位于二盤區(qū)準(zhǔn)備巷道南翼，工作面上部及周邊均為實(shí)體煤巖層，根據(jù)掘進(jìn)期間地質(zhì)揭露情況分析正巷里程0～150 m、920～1045 m，副巷里程936～1081 m，9#、10#層間距0.35～0.7 m，屬合并層。10-201 工作面埋深312～515m，開采9+10#煤，煤層厚度5.81～7.73 m，工作面傾斜長(zhǎng)度245 m，煤層傾角3～14°，煤層硬度2～3，頂?shù)装鍘r性特征詳見表1。

表1 煤層頂板情況表

2 沿空留巷變形破壞分析

10-201 沿空留巷為10-201 工作面軌道巷，與10-203 工作面運(yùn)輸巷間煤柱寬度45 m，巷道全長(zhǎng)1850 m，沿10+11#煤層頂板布置。為回收保護(hù)煤柱，設(shè)計(jì)10-201 軌道巷進(jìn)行沿空留巷，原沿空留巷支護(hù)方式如圖1 所示。兩側(cè)肩角處錨桿外斜20°布置，間排距均為0.9 m，頂板每排布置3 根錨索，靠近肩角處的外斜10°布置，中部一根沿豎直方向布置，間排距1.6 m×0.9 m，煤柱幫錨桿每排4 根，靠近肩角處錨桿向上偏斜10°布置，間排距0.9 m。實(shí)體煤幫側(cè)采用柔?；炷林ёo(hù)，柔模充填墻體寬度為1.3 m，高度為3.6 m，采用C40 混凝土充填。

圖1 沿空留巷原有支護(hù)方案（mm）

10-201 工作面回采初期，沿空巷道圍巖變形逐漸增大，主要變形形式為底板底鼓及兩幫相對(duì)內(nèi)移。留巷約20 d 后，底板最大突出量達(dá)到713 mm，底鼓嚴(yán)重，柔模墻底部部分侵入底板，頂板下沉量最大為256 mm，頂板形成沿巷道軸線方向的貫通長(zhǎng)裂隙，錨網(wǎng)撕裂繃斷，巷道豎直方向整體位移量達(dá)到969 mm，煤柱幫片幫量達(dá)到489 mm，幫部錨網(wǎng)、梯子梁損壞嚴(yán)重，充填體側(cè)內(nèi)鼓量達(dá)到278 mm，水平方向相對(duì)移近量達(dá)到767 mm，沿空巷道斷面整體收縮嚴(yán)重，無(wú)法滿足留巷斷面需求。

3 沿空留巷充填體參數(shù)優(yōu)化研究

10-201 沿空巷道留巷期間，受到工作面采動(dòng)影響圍巖失穩(wěn)變形嚴(yán)重，需要更加合理的柔模充填體支護(hù)參數(shù)來(lái)提高留巷圍巖的穩(wěn)定性。依據(jù)10-201 工作面現(xiàn)場(chǎng)條件，采用FLAC3D軟件進(jìn)行建模分析[1-2]。由于本次主要研究對(duì)象為巷旁充填體對(duì)于留巷圍巖的穩(wěn)定性，將數(shù)值模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，模型共由7 層煤巖層組成，建立模型尺寸：長(zhǎng)度200 m（X 軸）、寬度100 m（Y 軸）、高度142 m（Z 軸），煤層厚度6.5 m，沿空留巷斷面寬×高=5.3 m×3.6 m，模型邊界條件約束如圖2（a）所示，模型頂面等效垂直應(yīng)力10.45 MPa，三維數(shù)值模型如圖2（b）所示。

圖2 數(shù)值模型

3.1 充填體強(qiáng)度模擬分析

10-201 沿空留巷原有支護(hù)方案巷旁充填材料采用C40 混凝土，充填體寬度1.3 m，根據(jù)留巷現(xiàn)場(chǎng)破壞情況，巷旁充填體底部切入底板，說(shuō)明C40 混凝土雖然強(qiáng)度滿足要求，但是仍未實(shí)現(xiàn)留巷圍巖的穩(wěn)定。因此，設(shè)計(jì)充填材料分別為C15、C20、C30、C40 混凝土，得到沿空留巷頂板下沉量及頂板巖層塑性破壞范圍如圖3 所示。由圖3 所示結(jié)果可以看出，隨著巷旁充填體強(qiáng)度的增大，沿空巷道頂板下沉量及頂板巖層塑性破壞范圍呈減小趨勢(shì)。當(dāng)充填體強(qiáng)度由C15 提高至C20、C30 時(shí)，頂板下沉量分別減小54 mm、33 mm，頂板巖層塑性破壞范圍分別減小7.5 m、4.0 m；當(dāng)充填體強(qiáng)度由C30繼續(xù)提高至C40 時(shí)，頂板下沉量減小17 mm，頂板巖層塑性破壞范圍減小2.5 m。由此表明，當(dāng)充填體強(qiáng)度減低時(shí)，提高充填材料等級(jí)可顯著提高留巷頂板巖層穩(wěn)定性；當(dāng)充填體強(qiáng)度達(dá)到C30 時(shí)，提高其強(qiáng)度等級(jí)對(duì)于留巷圍巖穩(wěn)定性的影響很小。因此，充填體強(qiáng)度為C30 最為恰當(dāng)。

圖3 不同充填體強(qiáng)度條件下沿空留巷變形及塑性破壞模擬結(jié)果

3.2 巷旁充填體寬度模擬分析

根據(jù)10-201 軌道巷留巷初期破壞情況，多處巷旁充填體出現(xiàn)鉆底及向巷道內(nèi)歪斜情況，說(shuō)明原設(shè)計(jì)巷旁充填體寬度過(guò)窄，故設(shè)計(jì)模擬方案充填體寬度分別為1.4～1.7 m，整理得到不同充填體寬度條件下沿空留巷圍巖塑性破壞特征如圖4 所示。

圖4 不同充填體寬度條件下留巷圍巖塑性破壞特征

充填體寬度為1.4 m 時(shí)，工作面回采后，充填體發(fā)生剪切破壞，頂板巖層發(fā)生大面積的剪切和拉伸破壞，破壞范圍達(dá)到22.5 m。此時(shí)巷旁充填體對(duì)于頂板支承能力弱，無(wú)法保障沿空留巷的圍巖穩(wěn)定。充填體寬度為1.5 m 時(shí)，充填體僅頂部肩角及中部局部發(fā)生塑性破壞，具有良好的支承能力，頂板巖層塑性破壞范圍顯著減小，沿空巷道頂板淺部巖層破壞程度也顯著降低。此時(shí)已滿足維護(hù)巷道圍巖穩(wěn)定性的要求。當(dāng)充填體寬度為1.6 m、1.7 m 時(shí)，留巷期間巷旁充填體基本不發(fā)生塑性破壞，單充填體上部及下部煤巖體均發(fā)生塑性破壞，表明此時(shí)充填體強(qiáng)度已滿足并超出支護(hù)強(qiáng)度要求?？紤]施工成本此時(shí)充填體寬度過(guò)大。綜上所述，建議充填體寬度為1.5 m。

4 軟底沿空留巷圍巖控制技術(shù)

10-201 軌道巷沿空留巷期間，由于頂板巖層分布不均，在采動(dòng)影響下頂板巖層內(nèi)應(yīng)力增高，裂隙逐漸擴(kuò)展發(fā)育，大面積塑性破壞，且采空區(qū)巖層未及時(shí)垮落，導(dǎo)致頂板具有向采空區(qū)側(cè)回轉(zhuǎn)下沉的趨勢(shì)。因此，設(shè)計(jì)采用注漿錨索+切頂錨索加固措施，注漿錨索布置在常規(guī)錨桿+錨索之間，間排距1.6 m×0.9 m，錨索規(guī)格為Φ22 mm×8300 mm，采用425 普通硅酸鹽水泥漿，在充填體中部對(duì)應(yīng)位置設(shè)置一根切頂錨索。工作面回采后，在煤柱幫內(nèi)形成應(yīng)力集中，導(dǎo)致煤柱幫片幫、內(nèi)移嚴(yán)重，因此設(shè)計(jì)采用短錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，幫錨索規(guī)格為18.9 mm×4300 mm，采用“二一二”布置，間排距2.0 m×0.9 m，均沿水平方向布置；10-201 軌道巷沿煤層頂板布置，巷旁充填體坐落于強(qiáng)度較低的煤層上，在頂板下沉趨勢(shì)影響下，一是導(dǎo)致巷道底板底鼓變形嚴(yán)重，二是充填體易切入底板或發(fā)生歪斜，因此設(shè)計(jì)通過(guò)在柔模墻體之下通過(guò)挖槽、澆筑條形基礎(chǔ)進(jìn)行底板加固[3-4]?；坶_挖深度為1.5 m，寬度為1.8 m，充填材料同墻體均為C30 混凝土。為減小柔模墻體的內(nèi)移量，設(shè)計(jì)采用直徑22 mm 的對(duì)拉錨栓進(jìn)行支護(hù)，間排距為0.5 m。10-201 軌道巷留巷支護(hù)詳情如圖5 所示。

圖5 10-201 軌道巷留巷支護(hù)詳圖（mm）

5 留巷支護(hù)效果分析

10-201 軌道巷采用優(yōu)化后支護(hù)方案留巷期間，采用十字監(jiān)測(cè)法監(jiān)測(cè)圍巖收斂量，測(cè)點(diǎn)布置在采用優(yōu)化留巷支護(hù)方案50 m 處，回采工作面推進(jìn)速度為9.6 m/d，測(cè)點(diǎn)開始滯后工作面時(shí)第一次記錄數(shù)據(jù)，每日記錄一次，整理得到圖6 監(jiān)測(cè)結(jié)果。優(yōu)化留巷支護(hù)方案條件下，滯后工作面0～100 m 期間，巷道表面收斂變形量增速較快，底板底鼓量由0 mm 增大至162 mm，頂板下沉量由0 mm 增大至83 mm，充填墻體鼓幫量由0 mm 增大至39 mm，煤柱幫鼓幫量由0 mm 增大至41 mm；滯后工作面距離大于100 m 后，巷道圍巖收斂變形趨于平緩，底鼓量保持在180 mm 以下，頂板下沉量保持在150 mm 以下，煤柱鼓幫量保持在60 mm 以下，充填墻體鼓幫量保持在50 mm 以下，沿空留巷圍巖整體收斂變形保持在較低水平，圍巖穩(wěn)定性良好。

圖6 沿空巷道表面變形規(guī)律

6 結(jié)論及建議

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況分析、數(shù)值模擬、理論分析等手段，設(shè)計(jì)了10-201 軌道巷沿空留巷優(yōu)化支護(hù)方案，同時(shí)得到以下結(jié)論：

（1）數(shù)值模擬研究分析表明，巷旁充填墻體充填材料合理強(qiáng)度等級(jí)為C30，巷旁充填體合理寬度為1.5 m。

（2）采用注漿錨索+切頂錨索提高沿空留巷頂板強(qiáng)度，采用短錨索抑制煤柱幫片幫，通過(guò)挖槽、澆筑條形基礎(chǔ)進(jìn)行底板加固，防止充填墻體的歪斜和鉆底。

（3）優(yōu)化沿空留巷支護(hù)方案條件下，10-201軌道巷圍巖收斂變形量保持在較低水平，留巷效果良好。