沿空留巷圍巖變形特征及支護(hù)技術(shù)研究

耿炳偉

（汾西礦業(yè)集團(tuán)公司賀西煤礦，山西 柳林 033300）

煤炭是我國(guó)能源的一項(xiàng)重要構(gòu)成部分，其對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展能夠起到一定促進(jìn)作用。在煤礦在開(kāi)采期間，通常會(huì)采取保留煤柱方式，維護(hù)區(qū)段內(nèi)巷道，這一方式會(huì)造成一定損失，為了減少損失，提高煤礦開(kāi)采的經(jīng)濟(jì)效益，要加強(qiáng)對(duì)無(wú)煤柱護(hù)巷的研究，這一方面可以提高煤礦開(kāi)采效率，另一方面還能夠降低安全事故發(fā)生幾率。

1 沿空留巷圍巖變形特征

沿空留巷和回采工作面都在采空區(qū)和煤體邊界交界處，兩者存在相同支護(hù)荷載和圍巖變形特征，回采作業(yè)面推進(jìn)會(huì)對(duì)巖空留巷頂板和兩幫受力造成的具體影響。不同礦區(qū)地質(zhì)開(kāi)采條件會(huì)存在一定差異，但是圍巖整體變形規(guī)律是一致的，只是整體變形情況會(huì)存在一定差異，某煤礦巖空留巷圍巖結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 某煤礦巖空留巷圍巖結(jié)構(gòu)情況

回采工作面的接近與遠(yuǎn)離，沿空留巷圍巖會(huì)經(jīng)歷由穩(wěn)定到強(qiáng)烈活動(dòng)，再到穩(wěn)定的一個(gè)過(guò)程，實(shí)際變形特定主要可以劃分為以下幾個(gè)階段：

1.1 掘進(jìn)影響

巷道開(kāi)掘會(huì)導(dǎo)致煤巖體原有應(yīng)力平衡狀態(tài)，考慮到圍巖應(yīng)力會(huì)發(fā)生失衡現(xiàn)象，這會(huì)使巷道圍巖發(fā)生變形，應(yīng)力會(huì)重新分布[1]。

1.2 掘巷穩(wěn)定

掘巷作業(yè)停止后，重新分布圍巖應(yīng)力，而且會(huì)逐漸停止，而且能夠使應(yīng)力再次平衡狀態(tài)，圍巖變形量也會(huì)隨著時(shí)間推移會(huì)不斷減小，而且能夠不斷趨于穩(wěn)定。

1.3 采動(dòng)影響

工作面受回采強(qiáng)烈擾動(dòng)影響，巷道圍巖應(yīng)力平衡狀態(tài)將會(huì)被再次打破，而且需要重新分布[2]。應(yīng)力集中在巷道兩側(cè)，以及作業(yè)面前方圍巖，圍巖應(yīng)變形將會(huì)快速增大，變形速度將會(huì)位于峰值區(qū)，這將會(huì)使巷道支護(hù)與巷旁支護(hù)荷載處于最大值，但是圍巖變形量和速度都會(huì)由于支護(hù)和圍巖條件而呈現(xiàn)出不同狀態(tài)。

1.4 重新穩(wěn)定

隨著回采工作面推進(jìn)逐漸遠(yuǎn)離，由于開(kāi)采擾動(dòng)對(duì)于巷道頂板造成的影響會(huì)不斷減弱，而且煤幫一側(cè)支撐壓力也會(huì)不斷降低，頂板巖層沉降量，以及沿空留巷圍巖變形量將會(huì)逐漸降低，最終將會(huì)處于穩(wěn)定狀態(tài)[3]。

2 4215 工作面沿空留巷圍巖變形情況

某煤礦的4215 工作面煤層平均厚度約為2.52 m，埋深深度在398.5～402.6 m 之間，斷面形狀為一個(gè)高度為3.35，寬度為2.84 m 的矩形，對(duì)工作面的具體情況進(jìn)行觀察可以確定，超前影響范圍在0～16.8 m 以內(nèi)，而且變形出現(xiàn)在工作面0～21.5 m 以內(nèi)，以低鼓、頂板下沉和兩幫移近為主。

觀察工作面后方留巷段兩側(cè)頂板受回轉(zhuǎn)變形具體情況的影響，這會(huì)導(dǎo)致下沉量出現(xiàn)不同情況，受應(yīng)力作用影響，采空區(qū)側(cè)頂板會(huì)發(fā)生下沉量，致使實(shí)體煤幫會(huì)多下沉約32.2 m，隨著開(kāi)采作業(yè)的進(jìn)行，工作面推進(jìn)，會(huì)重新分布應(yīng)力，總的來(lái)說(shuō)，在頂板下沉量位于工作面后方32.6 m，能夠處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。觀察頂?shù)装遄冃瘟康膶?shí)際情況能夠發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)頂板出現(xiàn)回轉(zhuǎn)變形，這將會(huì)導(dǎo)致頂板上形成附加水平應(yīng)力，從而使底板、頂板水平應(yīng)力在工作面8.5～32.8 m 范圍內(nèi)相對(duì)集中，出現(xiàn)顯著變形，而隨著時(shí)間推移，工作面持續(xù)推進(jìn)，在工作面32.8 m 后，底、頂板以為應(yīng)力重新分布原因，變形將會(huì)逐漸區(qū)域穩(wěn)定狀態(tài)。

受頂板回轉(zhuǎn)變形和支撐壓力等各項(xiàng)作用影響，煤幫與填充體應(yīng)力會(huì)升高，針這一結(jié)果表明，通過(guò)加強(qiáng)支護(hù)方式處理，能夠起到一定保護(hù)作用。

3 頂板控制設(shè)計(jì)原理與控制方案分析

3.1 設(shè)計(jì)原理

通過(guò)對(duì)圍巖變形情況進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)的變形會(huì)對(duì)巷旁填充體、頂、煤幫、頂板等各項(xiàng)內(nèi)容造成影響，因此，要針對(duì)實(shí)際情況，采取合理措施支護(hù)巷內(nèi)以及巷旁填充體，針對(duì)巷內(nèi)具體情況的基本支護(hù)、加強(qiáng)支護(hù)，以及巷旁的基本支護(hù)可以形成一個(gè)支護(hù)系統(tǒng)，確保圍巖的實(shí)際變形情況，在不同時(shí)間和空間上都能夠得到合理控制。通過(guò)對(duì)上述各項(xiàng)因素進(jìn)行詳細(xì)分析，最終確定為了使支護(hù)作用能夠得到合理發(fā)揮，最終決定針對(duì)4215 工作面采取下列措施對(duì)留巷進(jìn)行支護(hù)[4]。

1）針對(duì)巷內(nèi)要進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，通過(guò)這一方式能夠提高主動(dòng)支撐力，實(shí)現(xiàn)對(duì)底板下沉情況，以及錨固區(qū)內(nèi)頂板離層情況的合理抑制，避免采空區(qū)側(cè)內(nèi)的頂板發(fā)生斷裂現(xiàn)象。

2）對(duì)于巷內(nèi)來(lái)說(shuō)，需要做好基本支護(hù)和加強(qiáng)支護(hù)兩項(xiàng)工作，考慮到頂板巖石離層擴(kuò)容主要集中在巷道內(nèi)，因此，在具體設(shè)計(jì)時(shí)，要在巷內(nèi)錨桿與補(bǔ)強(qiáng)錨索相互配合，通過(guò)這一方式能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)頂板完整性的保護(hù)，避免由于保護(hù)不到位，導(dǎo)致頂板發(fā)生變形，對(duì)后續(xù)開(kāi)展作業(yè)造成不良影響，引發(fā)事故[5]。

3）通過(guò)對(duì)高水材料填充方式，完成對(duì)巷旁支護(hù)，通過(guò)填充方式，能夠提高支護(hù)強(qiáng)度，科學(xué)分析設(shè)計(jì)力學(xué)參數(shù)和填充幾何體，快速開(kāi)展相應(yīng)施工作業(yè)，提高填充強(qiáng)度，從而使巷旁支護(hù)強(qiáng)度，以及抵抗變形能力能夠得到進(jìn)一步提高。

4）采用錨桿支護(hù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)煤幫鼓出具體情況得到有效控制，同時(shí)，通過(guò)頂板錨桿支護(hù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)頂板斷裂情況的控制，斷裂線能夠逐漸向煤壁內(nèi)方向轉(zhuǎn)移，從而避免頂板發(fā)生嚴(yán)重下沉，以及回轉(zhuǎn)等不良影響，確保巷道能夠保持穩(wěn)定。

5）做好支護(hù)作業(yè)，充分發(fā)揮支護(hù)起到的阻力作用，避免頂板在后續(xù)作業(yè)中發(fā)生嚴(yán)重下沉，而且能夠?yàn)榍许斕峁┍憷麠l件，進(jìn)而使頂板整體受力情況能夠得到進(jìn)一步改善。

通過(guò)對(duì)4215 工作面的整體情況進(jìn)行分析可以確定，巷內(nèi)基本支護(hù)、巷旁支護(hù)強(qiáng)度針對(duì)整個(gè)工作面的留巷頂板控制來(lái)說(shuō)意義重大[6]。因此，相關(guān)工作人員為了實(shí)現(xiàn)對(duì)頂板情況的科學(xué)管理，需要選擇符合需求的支護(hù)方式，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖情況的有效控制，最終決定采取錨網(wǎng)索+鋼筋梯+對(duì)拉錨桿+單體支柱與鉸接梁相互配合方式進(jìn)行支護(hù)。

3.2 控制方案

依據(jù)該礦4215 工作面的具體地質(zhì)情況，對(duì)4215回風(fēng)巷，開(kāi)展高水材料巷旁填充試驗(yàn)，考慮拉應(yīng)力帶來(lái)的具體應(yīng)用，針對(duì)填充區(qū)的直接頂補(bǔ)打采用長(zhǎng)度為2.48 m 的錨桿，而采用的錨索長(zhǎng)度為6.52 m，具體巖體控制方案如下：

1）在進(jìn)行巷內(nèi)支護(hù)時(shí)，設(shè)置1 排4 根的頂板補(bǔ)強(qiáng)錨索，在靠近頂板75 cm 處錨索布置采取向上傾斜12°方向進(jìn)行，同時(shí)，靠近頂板75 cm處布置垂直煤幫。

2）對(duì)于填充區(qū)域直接頂支護(hù)，采取左旋無(wú)縱筋螺紋錨桿，具體布置時(shí)間距為78 cm×78 cm，而對(duì)于靠近采空區(qū)一側(cè)錨桿，在進(jìn)行布置時(shí)，應(yīng)當(dāng)采取傾斜15°方式完成，針對(duì)其他垂直頂板，在搭設(shè)時(shí)，應(yīng)在每2 排錨桿中間布置2 根錨索，從而達(dá)到補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)目的。

3）巷旁填充采用的填體材料為高水材料，其水灰比為3∶2，具體填充時(shí)，要依據(jù)割煤刀數(shù)對(duì)具體填充長(zhǎng)度進(jìn)行確定，每4 刀要進(jìn)行一次煤填充，與此同時(shí)，為了進(jìn)一步提高填充體支護(hù)強(qiáng)度，需要在內(nèi)部預(yù)埋對(duì)拉錨桿。

4）進(jìn)行巷內(nèi)臨時(shí)支的核心目的就是緩沖煤體可以達(dá)到預(yù)定強(qiáng)度需要的時(shí)間，通過(guò)對(duì)高阻力進(jìn)行應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)頂板下沉情況的有效阻止，此外，要在工作面80 m 范圍內(nèi)布置單體液壓支柱，一共布置3 排，間距為160 cm，并且在該基礎(chǔ)上，與鉸接梁進(jìn)行配合，從而達(dá)到提高支護(hù)強(qiáng)度目的。

3.3 支護(hù)效果

完成4215 工作面回風(fēng)巷施工作業(yè)后，指派專人對(duì)巷道圍巖發(fā)生的位移情況進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，具體監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要分布在工作面超前，以及工作面后方，在實(shí)際作業(yè)開(kāi)展時(shí)，將測(cè)點(diǎn)三作為中點(diǎn)，在測(cè)點(diǎn)兩側(cè)分別布置了兩組測(cè)點(diǎn)，每一組測(cè)點(diǎn)應(yīng)對(duì)間隔18.5 m，通過(guò)監(jiān)測(cè)可以確定留巷圍巖發(fā)生的變形情況與距工作面距離之間呈正相關(guān)。通過(guò)對(duì)工作面后方情況進(jìn)行觀察可以發(fā)現(xiàn)，巷內(nèi)支護(hù)與采空區(qū)填充和巷旁支護(hù)都是隨著時(shí)間推移逐漸形成，并且圍巖變形逐漸處于穩(wěn)定狀態(tài)，這一結(jié)果表明本位采取的支護(hù)方式對(duì)于控制圍巖穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)，取得了不錯(cuò)效果，采取這一支護(hù)方式是可行的。

4 結(jié)語(yǔ)

沿空留巷能夠大幅度提高煤炭回采率，從而減少開(kāi)采過(guò)程中，巷道開(kāi)挖量的一項(xiàng)合理措施，因此，在廣大煤礦企業(yè)中，可以加強(qiáng)推廣。同時(shí)，相關(guān)工作人員要提高對(duì)沿空留巷圍巖變形，以及相應(yīng)支護(hù)措施對(duì)研究，采取適當(dāng)方式進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，完善支護(hù)技術(shù)，保證沿空留巷生產(chǎn)作業(yè)能夠順利、安全進(jìn)行。