綜放工作面沿空留巷變形規(guī)律研究

李 輝

(晉城煤業(yè)集團(tuán) 趙莊煤業(yè)，山西 晉城 048000)

沿空留巷具有提高煤炭資源采出率、實(shí)現(xiàn)Y型通風(fēng)、緩解采掘銜接緊張等技術(shù)優(yōu)勢，在我國應(yīng)用廣泛。目前，薄煤層沿空留巷技術(shù)工藝以及留巷變形控制技術(shù)已經(jīng)比較成熟，而中厚煤層沿空留巷由于采動壓力強(qiáng)烈、影響周期長，留巷內(nèi)往往變形劇烈，嚴(yán)重影響使用。針對中厚煤層沿空留巷變形規(guī)律已進(jìn)行較多的研究[1，2]，如充填體不同寬度對留巷效果的影響，留巷各部分圍巖變形位置和變形規(guī)律等，為留巷變形控制提供了理論指導(dǎo)依據(jù)，但不同地區(qū)條件相差較大，其經(jīng)驗(yàn)難以完全適用。本文對晉城煤業(yè)集團(tuán)趙莊礦6.3 m厚煤層綜放工作面沿空留巷變形規(guī)律進(jìn)行研究，并根據(jù)研究結(jié)果提出了變形控制技術(shù)。

1 工程背景

趙莊礦4311綜放工作面回采3#煤層，煤層厚度6.3 m，采高3 m，放煤高度3.3 m，工作面布置3條順槽。預(yù)留巷道為43113巷，巷道原始寬度5 m，高度3.2 m，幫部采用全錨桿支護(hù)，錨桿長度2.4 m. 充填體采用巷內(nèi)布置方式，充填體尺寸：長3 m、寬2 m、高3.2 m，留巷斷面寬度3 m、高度3.2 m，充填體與工作面位置關(guān)系見圖1. 充填墻體采用速凝早強(qiáng)高水充填材料灌注，1天強(qiáng)度即可達(dá)到4.5 MPa以上，3天強(qiáng)度6.5 MPa，28天強(qiáng)度9.2 MPa.

圖1 充填體布置示意圖

2 留巷礦壓觀測

2.1 表面位移觀測

在留巷內(nèi)布置5組表面位移觀測站，相鄰測站間隔50 m，采用“十”字布點(diǎn)法觀測，每3天觀測一次，觀測內(nèi)容為頂?shù)装濉蓭鸵平浚^測范圍為留巷后方0～200 m. 經(jīng)過3個月觀測，整理觀測數(shù)據(jù)，繪制圍巖表面位移曲線，見圖2.

圖2 圍巖表面位移曲線圖

通過表面位移觀測可以看出：

1) 兩幫累計(jì)移近量約500 mm，其中煤幫側(cè)鼓出量260 mm，充填體鼓出量240 mm；頂?shù)装逡平考s470 mm，其中頂板下沉量約200 mm，底鼓量約270 mm.

2) 充填體鼓出量主要集中在留巷后方0～80 m，煤幫鼓出量主要集中在留巷后方80～150 m；而頂板下沉和底鼓主要集中在留巷后方0～80 m.

3) 圍巖變形速度出現(xiàn)兩個明顯的峰值，第1次出現(xiàn)在留巷后方50 m左右，充填體、頂板、底板均出現(xiàn)劇烈變形，煤幫變形量較小；第2次出現(xiàn)在留巷后方120 m附近，煤幫出現(xiàn)劇烈變形，充填體、頂板、底板變形速度小幅增大。

2.2 煤幫、充填體離層觀測

煤幫一側(cè)：在留巷內(nèi)向煤幫一側(cè)施工垂直鉆孔安裝多基點(diǎn)離層儀，共安裝4個基點(diǎn)，安裝深度分別為8 m、5 m、3 m、1 m，受現(xiàn)場條件限制，觀測范圍為留巷后方0～100 m，繪制觀測曲線，見圖3a).

充填體一側(cè)：充填體寬度2 m，在留巷內(nèi)向充填體施工垂直鉆孔安裝多基點(diǎn)離層儀，共安裝3個基點(diǎn)，安裝深度分別為1.5 m、1 m、0.5 m，觀測范圍為留巷后方0～130 m，繪制觀測曲線，見圖3b).

圖3 離層觀測曲線圖

通過圖3可以看出：

1) 煤幫側(cè)在留巷后方0～80 m離層較小，在80 m之后出現(xiàn)快速離層，主要離層量在1 m深度基點(diǎn)和5 m深度基點(diǎn)之間，5 m深度基點(diǎn)與8 m深度基點(diǎn)之間離層量極小。

2) 充填體內(nèi)0.5 m、1 m、1.5 m三個基點(diǎn)未出現(xiàn)明顯離層，充填體變形量幾乎全部集中在淺部0～0.5 m.

3 留巷變形規(guī)律及控制對策

3.1 留巷變形規(guī)律

通過留巷礦壓觀測可以發(fā)現(xiàn)：沿空留巷后方頂板出現(xiàn)兩次側(cè)向破斷，第1次在留巷后方80 m，直接頂首先在充填體上方發(fā)生破斷，引起充填體大變形；隨著基本頂回轉(zhuǎn)下沉，充填體尺寸和強(qiáng)度不足以切斷基本頂，基本頂在煤幫深部發(fā)生破斷，引起煤幫大變形，而此時(shí)充填體強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，充填體相對變形量較小。

根據(jù)理論計(jì)算和離層實(shí)測，煤幫極限平衡區(qū)范圍約為6.8 m，離層范圍已經(jīng)到達(dá)煤幫深部5～8 m，破壞深度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了錨桿支護(hù)范圍，支護(hù)長度不足，是煤幫發(fā)生大變形的主要原因。

3.2 留巷變形控制對策

通過上述分析，認(rèn)為維護(hù)留巷斷面，關(guān)鍵是要減小充填體和煤幫鼓出量。

充填體鼓出量集中在留巷后方0～80 m，是側(cè)向上直接頂垮落過程中二者相互作用引起的，充填體在讓壓下縮過程中強(qiáng)度不斷提高，充填體受壓發(fā)生橫向變形，因此關(guān)鍵在于提高充填體早期強(qiáng)度，及時(shí)切斷頂板，減小讓壓下縮量。現(xiàn)場通過設(shè)置合理水灰比提高材料強(qiáng)度，對充填體施加對穿鋼筋使其處于近似三向受力狀態(tài)，每個充填墻體上設(shè)置9根對穿鋼筋，充填體上方布置切頂錨索等手段，將充填體鼓出量控制在50 mm以內(nèi)。

煤幫鼓出量集中在留巷后方80 m以后基本頂破斷階段，主要原因是破壞深度大，錨桿支護(hù)強(qiáng)度不足。現(xiàn)場在留巷前方提前補(bǔ)強(qiáng)8.4 m長錨索，在留巷后方50～100 m裂隙發(fā)育段對煤幫進(jìn)行注漿加固，改善錨索受力環(huán)境，將煤幫鼓出量控制在100 mm以內(nèi)，變形控制效果顯著。

4 結(jié) 論

對趙莊礦4311綜放工作面6.3 m厚煤層沿空留巷變形規(guī)律進(jìn)行研究，并提出了控制措施：

1) 厚煤層綜放工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈、影響周期長，留巷變形量大，長期不能穩(wěn)定，嚴(yán)重影響留巷使用。

2) 通過在留巷內(nèi)進(jìn)行表面位移觀測和離層觀測，得到充填體、煤幫變形規(guī)律以及破壞深度。充填體發(fā)生大變形的原因是初期強(qiáng)度不足，煤幫發(fā)生大變形的原因是錨桿支護(hù)強(qiáng)度嚴(yán)重不足。

3) 通過對充填體施加對穿鋼筋等手段，提高充填體初期抗壓強(qiáng)度，將充填體鼓出量控制在50 mm以內(nèi)；通過超前補(bǔ)強(qiáng)8.4 m長錨索，留巷后方50～100 m裂隙發(fā)育段注漿加固的方式，將煤幫鼓出量控制在100 mm以內(nèi)，留巷變形控制效果顯著。