特厚煤層綜放面強(qiáng)采動(dòng)巷道圍巖控制技術(shù)研究

梁 超

（霍州煤電集團(tuán)呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦，山西 呂梁 033200）

1 工程概況

霍州煤電集團(tuán)龐龐塔煤礦9#煤層上距5#煤層40.90～56.15 m，平均50.63 m，煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含1～2 層夾矸，平均煤厚為11.8 m，煤層結(jié) 構(gòu) 為4.5（0.3）1.8（0.3）2.8（0.7）1.40。9-301工作面呈一單斜構(gòu)造，傾向?yàn)闁|西向，走向?yàn)槟媳毕?；煤層傾角12°～36°，平均24°。9-301 工作面北部為西區(qū)暗斜井系統(tǒng)，南部為井田邊界，西部為正在回采的9-103 工作面，東部為9-700 工作面。各回采工作面巷道沿煤層底板布置，機(jī)采高度3.2 m，放煤厚度8.6 m，一采一放，采用單輪順序放煤方式，采放比1:2.69。巷道掘巷支護(hù)方式為錨網(wǎng)索，超前支護(hù)方式為木垛配合單體液壓支柱。工作面回采期間巷道表現(xiàn)為變形大、來(lái)壓強(qiáng)烈、超前支護(hù)困難，超前支護(hù)阻力低、安裝工序困難、耗時(shí)長(zhǎng)，影響綜放推進(jìn)速度和效率。為保障9-301 工作面的安全高效生產(chǎn)，需對(duì)其巷道圍巖控制技術(shù)展開(kāi)研究。

2 回采巷道支護(hù)現(xiàn)狀及礦壓特征

2.1 回采巷道掘巷支護(hù)及超前支護(hù)措施

9#煤三采區(qū)采用雙翼布置，9-301工作面和9-103工作面均布置在采區(qū)右翼，區(qū)段煤柱寬度為20 m。9-103 運(yùn)輸順槽與9-301 運(yùn)輸順槽掘巷斷面、地質(zhì)條件、應(yīng)力環(huán)境相似，掘巷階段均采用錨網(wǎng)索支護(hù)，斷面寬×高=5.4 m×3.7 m。支護(hù)參數(shù)：頂部選用Ф22 mm×2500 mm 左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，幫部選用Ф22 mm×2000 mm 左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，錨桿間距900 mm、排距900 mm；頂部每2.7 m 布置一組Ф17.8 mm×8300 mm 錨索，一組三根。9-103 工作面回采期間，兩側(cè)回采巷道采用單體柱配合木垛進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，單體柱和木垛的布置根據(jù)頂板變形實(shí)際情況，變形較嚴(yán)重區(qū)域采用單體柱，變形異常嚴(yán)重區(qū)域采用木垛。

2.2 強(qiáng)采動(dòng)巷道礦壓特征

根據(jù)對(duì)9-103 運(yùn)輸順槽變形特征的調(diào)研統(tǒng)計(jì)結(jié)果，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理得到采動(dòng)期間礦壓特征。巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)的典型破壞特征分布如圖1（a），頂板錨索載荷的變化規(guī)律如圖1（b）。巷道的強(qiáng)采動(dòng)特征主要表現(xiàn)為：1）變形破壞范圍大。一次采動(dòng)影響后，在二次采動(dòng)影響下，在調(diào)研的450 m 長(zhǎng)度范圍內(nèi)，多處出現(xiàn)錨桿破斷失效、鋼帶局部撕裂、錨索失效或松動(dòng)等問(wèn)題，巷道變形網(wǎng)兜現(xiàn)象嚴(yán)重，煤柱幫鼓幫嚴(yán)重，底板多處出現(xiàn)大裂縫，局部出現(xiàn)側(cè)翻現(xiàn)象。整體來(lái)說(shuō)，巷道礦壓顯現(xiàn)特征明顯，支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞范圍大。2）瞬時(shí)強(qiáng)載荷特征。9-103 工作面回采期間，9-103 運(yùn)輸順槽內(nèi)發(fā)生了4 次劇烈的來(lái)壓現(xiàn)象，單體柱折損約700 根，木材料損失約2000 m3，超前支護(hù)材料折損嚴(yán)重。3）應(yīng)力波動(dòng)劇烈。本工作面開(kāi)采期間，巷道圍巖內(nèi)超前支承壓力波動(dòng)較大，頂板中部和肩角錨索載荷均超過(guò)320 kN，超出錨索的屈服載荷，引發(fā)支護(hù)結(jié)構(gòu)的失效及圍巖大變形。

圖1 9-103 運(yùn)輸順槽礦壓特征

2.3 現(xiàn)有支護(hù)存在的問(wèn)題分析

根據(jù)9-103 運(yùn)輸順槽礦壓特征，總結(jié)其現(xiàn)有圍巖控制方案主要存在以下問(wèn)題：1）主動(dòng)支護(hù)結(jié)構(gòu)無(wú)讓壓功能，來(lái)壓期間支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞明顯。2）超前支護(hù)方式存在支護(hù)工序繁瑣、適應(yīng)性差、支護(hù)強(qiáng)度低等問(wèn)題。采用單體柱與木垛配合的支護(hù)能力整體性、協(xié)調(diào)性差，木垛支護(hù)工序繁瑣、施工效率低、初撐力低，影響超前支護(hù)的強(qiáng)度和剛度。頂板下沉?xí)r，木垛支承效果差，易發(fā)生歪斜扭曲，支護(hù)效果差。單體液壓支柱穩(wěn)定性差，受到水平方向的分力影響時(shí)，易折斷、彎曲變形、傾斜。整體而言，龐龐塔礦強(qiáng)采動(dòng)影響巷道急需一套支護(hù)強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、工藝簡(jiǎn)單、低成本的圍巖控制措施。

3 非對(duì)稱強(qiáng)力支護(hù)技術(shù)設(shè)計(jì)

急增阻抗高偏載強(qiáng)力支柱具有安裝簡(jiǎn)便、支撐強(qiáng)度高、適應(yīng)性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，其組成結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示，受到外部載荷影響時(shí)可快速響應(yīng)、急增阻，抗偏載性能強(qiáng)。設(shè)計(jì)采用該支護(hù)進(jìn)行龐龐塔礦強(qiáng)采動(dòng)巷道的超前支護(hù)。為研究強(qiáng)力支柱對(duì)強(qiáng)采動(dòng)巷道的圍巖控制效果，基于9-301 運(yùn)輸順槽支護(hù)現(xiàn)狀和地質(zhì)條件，構(gòu)建特厚煤層綜放面強(qiáng)采動(dòng)巷道支護(hù)模型。應(yīng)用FLAC3D軟件進(jìn)行模型的創(chuàng)建，遵循莫爾-庫(kù)侖（Mohr-Coulomb）屈服準(zhǔn)則[3-4]，三維數(shù)值模型如圖2（c）所示。埋深510 m，原巖應(yīng)力為12.25 MPa，巷道掘巷期間采用錨網(wǎng)索支護(hù)，本工作面回采期間增設(shè)強(qiáng)力支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，支柱布置在距煤柱側(cè)幫0.9 m 處，間距0.9 m，所建支護(hù)后的巷道模型如圖2（b）所示。

圖2 支護(hù)方案及數(shù)值模型

監(jiān)測(cè)無(wú)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)及強(qiáng)力支柱補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)兩個(gè)方案條件下超前本工作面20 m 處巷道表面變形數(shù)據(jù)如圖3。無(wú)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)條件下，頂板中部發(fā)生劇烈的下沉，兩幫中部出現(xiàn)劇烈的內(nèi)移，頂板、區(qū)段煤柱幫、回采煤幫最大變形量分別為1.52 m、0.62 m、0.57 m，圍巖變形嚴(yán)重；在采用急增阻抗高偏載強(qiáng)力支柱進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后，巷道表面變形明顯變得平緩，頂板最大下沉量減小為0.49 m，降幅67.8%；區(qū)段煤柱幫、回采煤幫最大變形量分別為0.16 m、0.14 m，降幅分別為74.2%、75.4%。圍巖變形量較無(wú)超前支護(hù)時(shí)顯著降低，說(shuō)明強(qiáng)力支柱超前支護(hù)效果良好。

圖3 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)前后表面變形特征

4 應(yīng)用效果分析

4.1 9-301 運(yùn)輸順槽圍巖控制方案

結(jié)合9-103運(yùn)輸順槽礦壓特征及支護(hù)方案問(wèn)題，進(jìn)行9-301 運(yùn)輸順槽掘巷支護(hù)和超前支護(hù)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖4。頂部選用Ф22 mm×2500 mm 螺紋鋼錨桿，幫部選用Ф22 mm×2000 mm 螺紋鋼錨桿，間距900 mm、排距800 mm，錨桿增加耦合讓均壓裝置；頂部每1.6 m 布置一組Ф21.8 mm 錨索，一組五根，中部三根長(zhǎng)8.3 m，配套安裝讓壓管，兩側(cè)肩角處長(zhǎng)4.3 m，配套安裝0.6 m 短節(jié)工字鋼；底板加鋪混凝土，厚200 mm。本工作面回采階段安裝急增阻抗高偏載強(qiáng)力支柱進(jìn)行超前支護(hù)，支護(hù)長(zhǎng)度約為工作面前方180 m 范圍。

圖4 9-301 運(yùn)輸順槽圍巖控制方案（mm）

4.2 應(yīng)用效果分析

9-301 運(yùn)輸順槽采用上述方案掘進(jìn)期間，巷道斷面平整、穩(wěn)定，無(wú)明顯的變形破壞。在本工作面回采階段，圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5。

圖5 應(yīng)用階段礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果

分析可知，巷道圍巖變形主要集中在工作面前方150 m 范圍內(nèi)，頂板最大下沉量334 mm，兩幫最大移近量215 mm，整體變形量在允許范圍內(nèi)，強(qiáng)力支柱穩(wěn)定性良好，無(wú)歪斜、彎折、鉆底等問(wèn)題。整體而言，有效控制強(qiáng)采動(dòng)巷道圍巖的破壞和大變形。

5 結(jié)語(yǔ)

以龐龐塔礦9-301 運(yùn)輸順槽為例，探究更為有效的特厚煤層強(qiáng)采動(dòng)巷道圍巖支護(hù)措施，綜合運(yùn)用礦壓監(jiān)測(cè)、數(shù)值模擬等方法，研究結(jié)果如下：

1）強(qiáng)采動(dòng)巷道礦壓特征為變形破壞范圍大、瞬時(shí)強(qiáng)載荷、應(yīng)力波動(dòng)劇烈，原支護(hù)方案存在無(wú)讓壓功能、強(qiáng)度低、適應(yīng)性差、穩(wěn)定性差、成本高等問(wèn)題；

2）采用急增阻抗高偏載強(qiáng)力支柱進(jìn)行超前支護(hù)，可顯著降低本工作面采動(dòng)影響下巷道表面變形量；

3）9-301 運(yùn)輸順槽掘巷支護(hù)增設(shè)耦合讓壓裝置，服務(wù)期間采用強(qiáng)力支柱進(jìn)行超前支護(hù)，圍巖變形量在允許范圍內(nèi)，支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、完整性良好，有效控制強(qiáng)采動(dòng)巷道的變形破壞。