復雜地質條件綜放工作面沿空巷道位置優(yōu)選及支護研究

張俊愷

（華陽新材料科技集團二礦，山西 陽泉 045000）

1 概況

華陽集團智能礦山事業(yè)部二礦（陽煤二礦）21306 綜放工作面位于470 m 水平8 號煤十三采區(qū)，工作面埋深364～553 m，傾斜長214 m。工作面北部為礦界，西部為已回采完畢的21304 工作面，東部為規(guī)劃的21308 工作面，南部為十三采區(qū)準備巷。8 號煤厚度5.6～7.1 m，平均6.35 m?；卷敒樯百|泥巖，厚度為6.11 m；直接頂為泥巖，厚度為3.9 m；直接底為砂質泥巖，厚度為0.3 m；基本底為細粒砂巖，厚度為7.7 m。21306 工作面預測斷層F1～F5斷距均大于煤層厚度的二分之一，對回采有一定影響；CX1 陷落柱位于進風巷與回風巷之間，距切巷約1600 m，長軸長約48 m，短軸長約40 m，工作面內發(fā)育面積約1512 m2，對回采有影響；預測地質異常體A1～A10，不排除煤層夾矸增厚的可能，周圍瓦斯含量大，對回采有一定影響；地應力較大，工作面平均埋深約498 m，水平應力較大，煤層厚度大，采動影響較劇烈。

鄰近的21304 工作面與采空區(qū)間區(qū)段煤柱為30 m，但是鄰近采空區(qū)的巷道仍變形破壞嚴重。為保障21306 運輸順槽的圍巖穩(wěn)定性，進行了相關研究。

2 護巷煤柱寬度優(yōu)化研究

鄰近上區(qū)段工作面掘進的回采巷道，掘進期間受鄰近工作面回采引起的側向支承壓力[1]影響，在本工作面回采期間又將受到超前支承壓力的影響，區(qū)段煤柱寬度對于巷道圍巖穩(wěn)定性具有重要影響。為確定21306 運輸順槽最為合理區(qū)段煤柱，結合礦井現(xiàn)場情況，根據(jù)工作面開采范圍內J14 鉆孔柱狀圖，通過FLAC3D軟件建立模擬模型[2]。模型共14個地層，各巖層的物理力學參數(shù)詳見表1，寬度為500 m，高度為130 m，模型頂面埋深380 m，上部施加9.5 MPa 載荷，模型共劃分為56 380 個單元。21304 工作面開挖厚度為6.4 m，在采空區(qū)右側實體煤頂板布置一條測線，數(shù)值模擬方案及邊界條件如圖1（a），得到采空區(qū)覆巖穩(wěn)定后實體煤頂板內側向支承壓力變化規(guī)律如圖1（b）。

表1 21306 工作面各地層物理力學參數(shù)

圖1 模擬方案及結果

根據(jù)圖1（b）可知，實體煤頂板巖層內垂直應力隨著與采空區(qū)側向邊緣距離的增大呈現(xiàn)出“增大-減小-穩(wěn)定”的趨勢。在采空區(qū)邊緣附近淺部區(qū)域存在一定寬度的應力降低區(qū)，以原巖應力為評判標準，則確定應力降低區(qū)深度范圍為0～8 m，應力峰值出現(xiàn)在距采空區(qū)邊緣14 m 處。在留設一定寬度區(qū)段煤柱進行下區(qū)段回采巷道掘進時，若想杜絕鄰近采空區(qū)側向支承壓力的影響，區(qū)段煤柱寬度需大于90 m，顯然非常不經(jīng)濟合理，因此可考慮將沿空巷道布置在應力降低區(qū)內?？紤]到華陽二礦屬于高瓦斯礦井，區(qū)段煤柱需要起到隔絕上區(qū)段采空區(qū)的作用，避免采空區(qū)瓦斯、一氧化碳等有害氣體滲透至回采巷道，煤柱寬度不易過小，同時需盡量減小側向支承壓力的影響，因此區(qū)段煤柱設計為6 m 最為合適。

3 復雜條件下沿空巷道支護設計

3.1 掘巷支護

21306 運輸順槽埋深較大、斷面大、動壓影響明顯、構造復雜，為保障巷道圍巖的穩(wěn)定，通過工程類比和理論分析初步確定掘巷階段的支護方案，在工程應用階段進行巷道位移變形監(jiān)測，然后進一步對支護方案進行優(yōu)化。

通過工程類比法提出采用以“高錨固力-高預緊力-強護表”為支護理念的錨網(wǎng)索聯(lián)合支護[3-4]，通過理論計算確定頂板錨桿長度2400 mm、直徑22 mm、間排距920 mm×2000 mm，最外側錨桿與水平方向呈75°角布置，其余錨桿呈垂直方向布置，配合W 型鋼帶及雙層菱形金屬網(wǎng)護表；錨索索體為Φ21.8-1×19-6300mm 鋼絞線，布置間排距為1100 mm×2000 mm，頂板兩腮部位布置角錨索，排距2000 mm；兩幫錨桿間排距1000 mm，錨索規(guī)格Φ17.8 mm×4300 mm ，配套采用 450 mm×280 mm×4 mm W 型鋼護板。23106 運輸順槽沿空掘巷段具體布置詳情及支護如圖2。實體煤段支護方式與沿空段基本相同，僅是兩幫均采用錨桿支護，未設置錨索。

圖2 12306 運輸順槽支護詳情

3.2 沿空掘巷噴漿封閉技術

為保障區(qū)段小煤柱隔絕采空區(qū)與巷道間空氣流通的效果，滯后21304 工作面50 m 對沿空巷道煤柱幫及煤柱側頂板進行噴漿封閉施工。漿液采用C25 細石混凝土，頂板噴漿寬度為1.5 m，小煤柱幫全部噴漿覆蓋，噴漿封閉厚度不小于100 mm。

3.3 過斷層巷道注漿加固技術

巷道掘進期間揭露斷層、陷落柱及地質異常區(qū)時，為提高小煤柱的自身穩(wěn)定性和承載能力，設計對小煤柱進行注漿加固。淺孔注漿采用高水速凝材料，深孔注漿采用水泥漿液，淺孔深度2.0 m，深孔深度4.0 m，淺孔注漿壓力0.5～1.5 MPa，深孔注漿壓力1.5～2.5 MPa，先低壓后高壓，注漿孔均沿水平方向垂直煤壁布置，孔徑42 mm。注漿孔布置詳細情況如圖3。

圖3 小煤柱幫注漿鉆孔布置示意圖（mm）

4 支護效果監(jiān)測

21306 運輸順槽布置多個測點監(jiān)測巷道的變形情況。正常沿空掘巷階段，巷道圍巖穩(wěn)定后，兩幫相對移近量及頂?shù)装逡平炕颈３衷?0 mm 以下，表面變形微小。結合21306 工作面回采期間監(jiān)測數(shù)據(jù)，整理給出實體煤段測點A（距切眼40 m）、沿空掘巷段測點B（距切眼150 m）巷道表面變形量變化規(guī)律如圖4。

圖4 巷道移近量變化曲線

可以看出，兩個測站處的巷道圍巖變形主要集中在與工作面距離小于70 m 的采動影響階段，至巷道服務末期，實體煤段兩幫移近量124 mm，頂板移近量102 mm，小煤柱沿空掘巷段兩幫移近量356 mm，頂?shù)装逡平?31 mm，圍巖及煤柱穩(wěn)定性良好，保證了工作面正常掘進和回采。

5 結語

通過收集整理分析華陽二礦21306 工作面具有較復雜的地質條件，數(shù)值模擬確定了鄰近采空區(qū)影響下煤層頂板內側向支承壓力峰值為21 MPa，應力峰值距煤壁14 m，確定最佳區(qū)段煤柱寬度為6 m。綜合應用工程類比法、理論計算法設計錨網(wǎng)索聯(lián)合支護參數(shù)，設計斷層、陷落柱等地質異常區(qū)注漿加固方式和參數(shù)。通過圍巖位移監(jiān)測得到，表面變形量在合理可控范圍內，巷道圍巖及煤柱穩(wěn)定性良好。