麥捷煤業綜放工作面沿空留巷松軟破碎圍巖控制技術研究

李肖潞

(潞安集團 潞陽麥捷煤業有限公司，山西 晉中 045400)

1 工程概況

麥捷煤業現開采15號煤層，15號煤層厚度為3.5～7.7 m，平均5.56 m，煤層傾角為13°，普氏系數為2.3，煤層結構簡單，局部含有不連續薄層炭質泥巖夾矸，層理節理發育。150311工作面位于井下第三采區，是該礦15號煤層的首采工作面，工作面沿煤層走向布置，采用綜采放頂煤開采，工作面平均埋深為650 m，150311工作面頂底板巖性特性如表1所示。150311工作面長度165 m，推進長度650 m，共布置三條回采巷道，分別為150311輔助進風巷、150311回風巷和150311運輸巷，三條巷道均沿15號煤層底板掘進。計劃對150311輔助進風巷沿空留巷作為150312工作面的輔助進風巷，巷道頂板巖層為較松軟的砂質泥巖，為了滿足沿空留巷的需求，需要對150311輔助進風巷的加固措施和支護方法進行研究。

表1 煤層頂底板特征

2 充填區域頂板控制技術研究

巷旁充填區域頂板由于工作面的采掘活動受到反復的影響[1-2]，其受力過程主要有：①工作面開采前受到原巖應力的影響；②本工作面回采時超前支承壓力的影響；③巷旁充填體充填完成后，工作面周期來壓與充填體相互作用的影響；④采空區頂板巖層垮落趨于穩定后，工作面滯后支承壓力與充填體共同作用。可知充填區域頂板在該工作面采動影響下反復受到動壓的影響，很可能發生失穩，并且150311工作面頂板圍巖為松軟的砂質泥巖，承載能力較差，因此為了提高留巷圍巖的穩定性，就要保證充填區域頂板的穩定性。

充填區域的頂板內側為150311輔助進風巷，外側為采空區，其頂板結構示意如圖1(a)所示，充填區域頂板在工作面采動影響下形成破碎區，大大降低了頂板的完整性和穩定性，由于基本頂巖層硬度較大，完整性較好，而直接頂松軟破碎，導致直接頂與基本頂分離產生離層區，在充填體的切頂作用下很容易發生巷內冒頂，因此充填區域頂板的穩定性對于巷道圍巖控制起著非常關鍵的作用。

由于煤層直接頂為松軟的砂質泥巖，平均厚度為7.65 m，其長度遠大于常用錨桿的錨固范圍，因此考慮采用錨固范圍大、預緊力大的錨索進行加固，以此來控制150311工作面輔助進風巷直接頂與基本頂離層，加固充填體上方松軟破碎的砂質泥巖頂板。加固方案如圖1(b)所示。在150311工作面割煤移架后，端頭處鋪設柔性網，緊跟支架后方布置錨索進行加固，每排錨索為3根，錨索間距為900 mm，排距為1 000 mm，靠近輔助進風巷最近的那根錨索距離巷道中心線2 600 mm，錨索采用D21.6 mm×8 300 mm的鋼絞線。

圖1 充填區域頂板控制示意

3 巷內補強支護參數研究分析

在150311工作面回采期間對150311輔助進風巷進行補強支護，原有支護方式頂板為錨桿、錨索、金屬網聯合支護，煤幫為錨桿、塑料網、木托板聯合支護。頂板和煤幫錨桿均采用MSGLW-335-20/2400螺紋鋼錨桿，頂板每排5根錨桿加兩根錨索，錨桿錨索間通過7眼W型鋼帶進行聯接，最外側兩個錨孔間距650 mm，剩余的間距為800 mm，靠近兩幫的錨桿距離煤壁150 mm，錨索間距為1 600 mm，排距均為800 mm，錨索采用D23 mm×1 200 mm雙速樹脂錨固劑一條。幫部錨桿間排距為900 mm×900 mm。錨桿均采用D23 mm×800 mm超快樹脂錨固劑。原有支護方案模型如圖2(a)所示。根據生產經驗在原方案的基礎上設計了以下三個補強支護方案。

方案一：頂板和煤幫補打錨桿進行補強支護。煤幫每隔兩排錨桿在距離底板大約300 mm、1 000 mm及靠近頂板400 mm處各打一根錨桿，靠近底板和頂板的錨桿俯角、仰角均為15°，靠近中部的錨桿垂直煤幫鉆進，錨桿預緊力150 kN。錨桿型號與原有支護方案相同。煤幫鋪設的塑料網改為菱形金屬網。頂板每隔兩排補打三根錨桿，錨桿距離充填體側150 mm，錨桿間排距為1800 mm×1 600 mm，見圖2(b)。

方案二：頂板和煤幫上補打錨桿、錨索補強支護。在方案一錨桿補強的基礎上，煤幫錨桿補強處每排補打兩根幫錨索，錨索間排距為1 400 mm×1 800 mm，靠近底板錨索距離底板300 mm，錨索直徑為21.6 mm，長度為4 200 mm，預緊力為150 kN。頂板每兩排補打3根D21.6 mm×8 300 mm的礦用錨索，間排距為1 800 mm×1 600 mm，預緊力為250 kN，如圖2(c)所示。

方案三：在方案二的基礎上，將頂板補強錨索改為D21.6 mm×10 300 mm高強錨索，補打錨索距離充填體幫150 mm，托盤規格為300 mm×300 mm×16 mm。如圖2(d)所示。

圖2 不同補強支護方案示意

為了比較不同補強支護方案的加固效果，依據麥捷煤業150311工作面具體的地質條件，應用FLAC3D軟件建立如圖3所示的數值模型[3-4]，模型尺寸為：長×寬×高=650 m×200 m×125 m，150311工作面平均埋深為650 m，上覆巖層平均容重為2.5×10 kN/m3，垂直方向上施加的均布載荷P=(埋深-頂板厚度)×容重=500×103kN。在煤柱位置進行了更為密集的網格劃分。模擬方案：在不同的補強支護方案條件下，進行150311工作面的回采，每10 m為一個開挖循環，工作面回采完畢后在y=50處布置測點觀測150311輔助進風巷圍巖的位移情況。

統計在測點位置不同補強方案條件下圍巖最大的位移量，整理后得到如圖4所示的結果。由圖4可知，在原有支護的基礎上采用錨桿、錨索進行補強支護，能夠大大減小150311輔助進風巷在工作面采動影響下圍巖的變形，采用補強方案一可使巷道頂板下沉量減小16.7 mm，底板底鼓量減小9.5 mm，充填體移進量減小40.3 mm，煤幫移進量減小8.2 mm，穩定性提升最明顯的是頂板和充填體幫。采用方案二上述位移與方案一相比減小量分別為4.1 mm、3.5 mm、13.4 mm、3.6 mm，巷道圍巖的穩定性整體上明顯提升。采用補強方案三與方案二相比上述位移量減小分別為1.2 mm、2.6 mm、4.5 mm、3.7 mm，巷道圍巖位移量減小很少。綜上可知，從經濟和施工等因素綜合考慮，確定方案二為補強支護方案。

圖3 數值模擬計算模型

圖4 不同補強方案條件下巷道穩定情況模擬結果

4 現場應用及效果分析

根據上述確定的補強支護方案對150311工作面輔助進風巷補強支護，留巷作為150312工作面的輔助進風巷。充填體充填寬度為2.0 m，選用水灰比為1.5∶1的高水材料，為提高充填體的承載能力，用鋼筋網+梯子梁+對拉錨桿進行加固，錨桿間排距為750 mm×800 mm，補強支護后的巷道斷面如圖5所示。

圖5 補強支護方案

為考察150311工作面輔助進風巷補強支護后的圍巖控制效果，在150311工作面回采期間布置巷道圍巖位移觀測站，監測結果如圖6所示。由圖可知，150311工作面輔助進風巷在該工作面采動的影響下，實體煤側頂底板最大移進量為776 mm，充填體側頂底板最大移進量為589 mm，兩幫移進量最大為546 mm，綜上可知，沿空巷道圍巖變形量在可控范圍內，經過挖底等維護修復措施后可以很好的復用，滿足150312工作面回采的需求。

圖6 巷道圍巖表面位移觀測結果

5 結 語

根據麥捷煤業150311綜放工作面具體的地質條件，通過理論分析可知留巷支護時，對于充填區域頂板的加固非常重要，150311輔助進風巷頂板為松軟破碎的煤層和砂質泥巖，因此設計采用錨固范圍大、預緊力大的長錨索對巷道頂板和充填區域直接頂進行加固。通過數值模擬分析確定合理的補強支護方案，現場應用后進行圍巖位移監測，結果表明，通過對于150311輔助進風巷補強加固及巷旁充填支護后，在150311工作面回采期間，沿空巷道實體煤側頂底板最大移進量為776 mm，充填體側頂底板最大移進量為589 mm，兩幫移進量最大為546 mm，經適當維修后能夠為150312工作面服務。