厚煤層綜放工作面內(nèi)錯(cuò)尾巷圍巖控制技術(shù)研究

劉小軍

(陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000)

1 工程概況

陽(yáng)煤集團(tuán)新景煤礦現(xiàn)階段正在進(jìn)行15號(hào)煤層的采掘工作，15號(hào)煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，常發(fā)育有三層夾矸。煤層以鏡煤、亮煤為主，內(nèi)生裂隙發(fā)育，含少量黃鐵礦結(jié)核。煤層厚度5.45～6.52 m，平均5.95 m，煤層傾角3～11°，平均6°，煤層普氏系數(shù)為2～3。15020綜放工作面標(biāo)高+1 055～+1 150 m，埋藏深度為475～548 m。工作面走向長(zhǎng)805 m，傾斜長(zhǎng)220 m，面積177 100 m2。15020工作面位于15號(hào)煤一采區(qū)北翼中部，北為15018工作面(已采)，南為15021工作面(未掘)，西為80122工作面(已采)，東隔礦界為三礦(圖1)。15020工作面老頂為11.75 m的深灰色石灰?guī)r，夾2～3層黑色泥巖或砂質(zhì)泥巖；直接頂為0.42 m的灰黑色泥巖。新景煤礦屬于高瓦斯礦井，15020工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為49.92 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為8.99 m3/t，工作面布置內(nèi)錯(cuò)尾巷來進(jìn)行瓦斯抽采，15020內(nèi)錯(cuò)尾巷沿15號(hào)煤層頂板布置，15020進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷沿15號(hào)煤層底板布置。15020工作面回采期間其內(nèi)錯(cuò)尾巷超前段變形嚴(yán)重，每班必須加強(qiáng)起底工作，嚴(yán)重影響工作面回采的速度和效率。

2 尾巷圍巖變形破壞特征及機(jī)理研究

2.1 15020內(nèi)錯(cuò)尾巷支護(hù)方案

新景煤礦15020內(nèi)錯(cuò)尾巷服務(wù)于15020綜放工作面，主要作用是抽放瓦斯，巷道斷面為矩形，尺寸：寬×高=4.0 m×2.2 m。15020內(nèi)錯(cuò)尾巷采用錨網(wǎng)梁聯(lián)合支護(hù)，頂板支護(hù)采用五孔W型鋼帶，孔間距為900 m，鋼帶排距為800 mm，每排錨桿錨索交替布置，共需三根錨桿和兩根錨索，錨桿和錨索的間距均為1 800 mm，錨桿為D20 mm×2 000 mm螺紋鋼錨桿，錨索為D21.6 mm×5 300 mm的鋼絞線，錨索垂直頂板安裝，靠近兩幫的錨桿向兩側(cè)分別傾斜10°。兩幫采用D20 mm×2 000 mm的圓鋼錨桿，錨桿間排距為1 000 mm×800 mm，每排布置兩根，靠近頂板的錨桿距離頂板400 mm，并且向上傾斜10°安裝。巷道支護(hù)情況如圖2所示。

圖1 巷道布置平面

2.2 15020內(nèi)錯(cuò)尾巷圍巖破壞特征

15020內(nèi)錯(cuò)尾巷沿15號(hào)煤層頂板掘進(jìn)，巷道頂板為泥巖，兩幫和底板為強(qiáng)度較低的煤，在15020綜放工作面開始回采后，超前工作面200 m范圍內(nèi)15020內(nèi)錯(cuò)尾巷圍巖發(fā)生嚴(yán)重的失穩(wěn)破壞，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)礦壓監(jiān)測(cè)可將圍巖的破壞形式總結(jié)為以下幾點(diǎn)：

1) 頂板下沉。15020內(nèi)錯(cuò)尾巷在距離巷口350 m處出現(xiàn)大范圍的冒頂現(xiàn)象，冒頂區(qū)段長(zhǎng)度約為8.0 m，最大垮落寬度達(dá)3.0 m，垮落的碎石封堵斷面。大范圍內(nèi)頂板劇烈下沉，頂板錨索、鋼帶以及超前加固支護(hù)的木柱均發(fā)生斷裂，局部位置頂?shù)装褰佑|，整體上巷道斷面損失非常嚴(yán)重。

圖2 15020內(nèi)錯(cuò)尾巷支護(hù)方案

2) 兩幫變形。巷道兩幫煤體表現(xiàn)為整體破碎且中間部位較突出。

3) 底鼓嚴(yán)重。15020內(nèi)錯(cuò)尾巷在掘進(jìn)過程中伴隨輕微底鼓，工作面開始回采后，超前工作面一定區(qū)段內(nèi)底板失穩(wěn)形成弧形底鼓，底鼓是巷道斷面損失嚴(yán)重的重要原因，15020綜放工作面回采期間木柱支護(hù)段巷道斷面最小高度為0.5 m，底鼓量最大可達(dá)1.2 m，頂板下沉量最大達(dá)0.5 m。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)結(jié)果及分析可知：15020工作面回采期間，由于綜放工作面劇烈的采動(dòng)影響，內(nèi)錯(cuò)尾巷頂板下沉和底鼓造成其斷面損失嚴(yán)重，已經(jīng)無(wú)法滿足工作面抽排瓦斯的要求。主要變形原因?yàn)橹ёo(hù)參數(shù)不合理、圍巖強(qiáng)度低及劇烈的采動(dòng)影響等。在巷道圍巖破碎比較明顯的區(qū)域，通常采取提高錨桿支護(hù)強(qiáng)度，增加錨桿、錨索的密度或者通過注漿錨索進(jìn)行加固，這些加固方式雖然能夠顯著提高巷道圍巖的穩(wěn)定性[1]，但是對(duì)于15020內(nèi)錯(cuò)尾巷而言，巷道沿煤層頂板布置，過多的錨桿、錨索會(huì)嚴(yán)重影響頂煤的冒放性[2]，因此設(shè)計(jì)采用高強(qiáng)度混凝土支柱來減少頂板的下沉量和底板的底鼓量，使巷道斷面能夠滿足抽排瓦斯的要求即可。

3 內(nèi)錯(cuò)尾巷加強(qiáng)支護(hù)支柱方案設(shè)計(jì)

為研究分析15020綜放工作面開采對(duì)內(nèi)錯(cuò)尾巷采用混凝土柱加固的可行性，通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件，根據(jù)新景煤礦15020工作面具體的地質(zhì)條件建立模型，分析工作面前方內(nèi)錯(cuò)尾巷圍巖應(yīng)力分布情況。模型尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=600 m×120 m×46.5 m，工作面沿X軸方向布置，沿Y軸方向推進(jìn)，煤巖體采用理想的彈塑性巖體材料[3]，采用摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，模型邊界條件：前后左右水平方向上為零位移，底部邊界垂直方向上位移為零，上部邊界為自由面，施加13.2 MPa的均布載荷。模擬在原有支護(hù)條件下和采用高強(qiáng)度混凝土支柱支護(hù)后15020工作面的回采，觀測(cè)15020內(nèi)錯(cuò)尾巷圍巖塑性破壞特征。

圖3 原有支護(hù)條件下圍巖塑性破壞特征

圖4 采用混凝土柱加固后圍巖塑性破壞特征

由于篇幅所限，僅將典型的結(jié)果展示如圖3、4所示，由模擬結(jié)果可知，隨著與回采工作面距離的增加，15020內(nèi)錯(cuò)尾巷圍巖的塑性破壞范圍逐漸減小。采用鋼筋混凝土支柱加強(qiáng)支護(hù)條件后，工作面回采期間在15020內(nèi)錯(cuò)尾巷同等位置頂?shù)装寮皟蓭偷乃苄云茐姆秶黠@減小，尤其是在工作面前方60 m處，底板塑性破壞深度由5 m減小為3 m，頂板破壞深度減小非常顯著，通過混凝土支柱加固能夠減小兩幫的載荷，提高巷道圍巖的穩(wěn)定性，減緩巷道斷面收縮變形的速率，使巷道斷面滿足工作面正常生產(chǎn)的要求。

4 15020內(nèi)錯(cuò)尾巷加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)應(yīng)用

4.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

15020內(nèi)錯(cuò)尾巷巷道斷面為矩形，斷面尺寸：寬×高=4.0 m×2.2 m，15020內(nèi)錯(cuò)尾巷混凝土支柱采用C30水泥預(yù)制而成[4]，為了運(yùn)輸和施工方便將支柱制成4種規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)件，在巷道中心線位置進(jìn)行堆疊組裝形成支柱，混凝土支柱的主承載面的直徑為0.3 m，底板處直徑為0.5 m。綜合考慮經(jīng)濟(jì)、施工等多方面因素，超前支護(hù)采用木支柱和混凝土支柱根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖條件階段性布置，支柱布置如圖5所示。

4.2 效果監(jiān)測(cè)

在原有支護(hù)條件下15020內(nèi)錯(cuò)尾巷距離切眼600 m處，加強(qiáng)支護(hù)的木柱全部被折斷，巷道斷面收縮嚴(yán)重，巷道高度不足0.8 m，收縮率達(dá)71%。為考察混凝土柱加強(qiáng)支護(hù)的效果，在15020內(nèi)錯(cuò)尾巷內(nèi)超前工作面適當(dāng)?shù)木嚯x，在木柱支護(hù)區(qū)段和混凝土支護(hù)區(qū)段分別布置圍巖位移測(cè)點(diǎn)，整理后得到如圖6所示的結(jié)果。

圖5 15020混凝土柱支護(hù)示意

圖6 圍巖位移變化曲線

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)結(jié)果可知，15020內(nèi)錯(cuò)尾巷圍巖位移量隨著與工作面距離的增大而減小。木柱支護(hù)段，頂?shù)装遄畲笠七M(jìn)量為500 mm，兩幫最大移進(jìn)量為170 mm，斷面損失率約為17%。混凝土柱加強(qiáng)支護(hù)段，頂?shù)装遄畲笠七M(jìn)量為260 mm，兩幫最大移進(jìn)量為110 mm，斷面收縮率約為8%。觀測(cè)結(jié)果表明，采用混凝土柱進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)后，15020內(nèi)錯(cuò)尾巷斷面收縮率保持在17%以下，能夠滿足工作面正常生產(chǎn)的要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)新景煤礦15020工作面回采期間其內(nèi)錯(cuò)尾巷超前工作面一定距離內(nèi)，圍巖失穩(wěn)破壞的情況，采用混凝土柱進(jìn)行加固，通過高強(qiáng)度的支柱將頂板壓力傳遞到底板來抑制底鼓，并且能夠減輕巷幫受力來減小兩幫的變形量。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，采用混凝土柱加強(qiáng)支護(hù)后，木柱支護(hù)段，頂?shù)装遄畲笠七M(jìn)量為500 mm，兩幫最大移進(jìn)量為170 mm，斷面損失率約為17%。混凝土柱加強(qiáng)支護(hù)段，頂?shù)装遄畲笠七M(jìn)量為260 mm，兩幫最大移進(jìn)量為110 mm，斷面收縮率約為8%。15020內(nèi)錯(cuò)尾巷斷面積普遍保持在7.3 m2以上，斷面收縮率最大僅為17%，整體來說效果良好。