綜放沿空留巷圍巖變形特征及支護(hù)技術(shù)實(shí)踐研究

董 東

(西山煤電集團(tuán) 西銘礦，太原 030052)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，節(jié)約和保護(hù)資源日益成為一種趨勢(shì)，如何實(shí)現(xiàn)資源最大程度的利用是我們亟需解決的問(wèn)題，而沿空留巷的優(yōu)勢(shì)此時(shí)尤為突出，既可以實(shí)現(xiàn)無(wú)煤柱開(kāi)采，同時(shí)能夠減少掘進(jìn)巷道，并且消除煤柱護(hù)巷時(shí)對(duì)下方煤體開(kāi)采造成的應(yīng)力集中現(xiàn)象[1]，另外沿空留巷所形成的Y型通風(fēng)系統(tǒng)相比于U型通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)于解決上隅角瓦斯超限問(wèn)題具有顯著效果[2]。

經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間發(fā)展，許多學(xué)者對(duì)沿空留巷均作出了不同程度的研究：何滿潮院士建立了在不同頂板位態(tài)下“圍巖結(jié)構(gòu)-巷旁支護(hù)體”的力學(xué)模型，進(jìn)而提出了切頂卸壓沿空留巷技術(shù)；黃萬(wàn)朋通過(guò)對(duì)鋼管混凝土支柱承載性能的力學(xué)分析，提出了一種“鋼管混凝土支柱+柔性支護(hù)”的沿空留巷支護(hù)體系；譚云亮通過(guò)對(duì)堅(jiān)硬頂板巖梁劇烈運(yùn)動(dòng)的觀測(cè)，提出巷旁采用“剛?cè)帷苯M合支護(hù)的力學(xué)模型；康紅普通過(guò)對(duì)深部沿空留巷造成的圍巖變形及應(yīng)力分布規(guī)律的分析，提出聯(lián)合巷內(nèi)與巷旁的組合支護(hù)體系理論。

采動(dòng)往往是導(dǎo)致留巷產(chǎn)生變形的主要因素，尤其對(duì)于高地應(yīng)力地質(zhì)條件，圍巖更容易發(fā)生沖擊性及流變和擴(kuò)容等現(xiàn)象，最終導(dǎo)致圍巖變形加劇[3-4]。為此，本文著重從圍巖與支護(hù)相互作用關(guān)系、巷旁支護(hù)、巷旁充填體以及巷內(nèi)支護(hù)進(jìn)行試驗(yàn)研究，并取得了較好的效果[5-6]。

1 綜放沿空留巷頂板下沉規(guī)律

留巷頂板在采動(dòng)期間變形較為明顯，但又與普通巷道存在差異，留巷由于受到巷旁支護(hù)的作用，其頂板位移主要受基本頂回轉(zhuǎn)及煤幫側(cè)下沉量和巖層擴(kuò)容影響，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

綜放工作面在推進(jìn)過(guò)程中，留巷煤幫側(cè)上空的基本頂發(fā)生斷裂，從而形成穩(wěn)定的關(guān)鍵塊體，頂板從破斷位置起形成角度為θ的回轉(zhuǎn)，此時(shí)產(chǎn)生的重力全部施加于留巷采空區(qū)側(cè)的巷旁充填體之上，導(dǎo)致采空區(qū)側(cè)頂板較煤幫側(cè)下沉嚴(yán)重，因此管理較為困難。有效解決這一難題則需要對(duì)巷旁支護(hù)體加強(qiáng)支護(hù)，進(jìn)而控制圍巖變形。

采空區(qū)充填體與巷旁支護(hù)體在上覆巖層的作用下被逐漸壓實(shí)，巷旁支護(hù)體容易受到來(lái)自上覆巖層傳遞而來(lái)的壓力產(chǎn)生失穩(wěn)或變形，此時(shí)加強(qiáng)巷旁支護(hù)強(qiáng)度對(duì)于控制留巷圍巖變形意義重大。

圖1 沿空留巷頂板下沉量結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Structural model for sunk volume of roof in gob-side entry retaining

2 4108工作面沿空留巷巷道圍巖變形及應(yīng)力分布特征

該礦4108工作面煤層平均厚度2.4 m，埋深400 m左右，斷面形狀設(shè)計(jì)為矩形，高度在3.2 m。通過(guò)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)工作面的超前影響范圍在0～15 m內(nèi)，且變形發(fā)生于工作面后方0～20 m內(nèi)，以頂板下沉、底鼓和兩幫移近為主。

工作面后方留巷段兩側(cè)頂板受回轉(zhuǎn)變形影響，導(dǎo)致下沉量不同，經(jīng)過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)采空區(qū)側(cè)在應(yīng)力作用下，頂板下沉量較實(shí)體煤幫多31 m，隨著工作面推進(jìn)，應(yīng)力重新分布，因此頂板下沉量在工作面后方30 m處趨于穩(wěn)定。

通過(guò)對(duì)頂?shù)装遄冃瘟康挠^測(cè)發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)頂板的回轉(zhuǎn)變形會(huì)對(duì)頂?shù)装瀹a(chǎn)生附加的水平應(yīng)力，導(dǎo)致頂、底板水平應(yīng)力在工作面后方8 m～30 m范圍內(nèi)較為集中，產(chǎn)生明顯變形，但隨著工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，在工作面30 m后的頂、底板由于應(yīng)力重新分布使得變形逐漸趨于穩(wěn)定。

煤幫與充填體在超前支撐壓力和頂板回轉(zhuǎn)變形的影響下出現(xiàn)應(yīng)力升高現(xiàn)象，說(shuō)明此時(shí)加強(qiáng)支護(hù)能夠起到重要作用。

3 沿空留巷頂板控制設(shè)計(jì)原理及方案

3.1 頂板控制設(shè)計(jì)原理

考慮到圍巖變形對(duì)巷旁充填體及煤幫、頂、底板的影響，需要采取有效措施分別對(duì)巷旁充填體及巷內(nèi)進(jìn)行支護(hù)，巷內(nèi)的加強(qiáng)支護(hù)、巷旁支護(hù)與巷內(nèi)的基本支護(hù)共同形成一個(gè)支護(hù)系統(tǒng)，以確保圍巖變形在不同空間和時(shí)間內(nèi)均能夠得到有效控制。綜合以上因素，為了充分發(fā)揮各種支護(hù)的作用，決定采用此種支護(hù)方式進(jìn)行留巷的支護(hù)。

1)巷內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)目的在于提高主動(dòng)支撐力，抑制錨固區(qū)內(nèi)頂板離層，控制頂板下沉，防止采空區(qū)側(cè)頂板斷裂。

2)巷內(nèi)基本支護(hù)及加強(qiáng)支護(hù)缺一不可，頂板巖石的離層與擴(kuò)容主要在于巷內(nèi)錨桿與補(bǔ)強(qiáng)錨索的配合使用，對(duì)于保持頂板完整性具有積極作用。

3)巷旁支護(hù)采用高水材料進(jìn)行充填，充填強(qiáng)度大，應(yīng)合理設(shè)計(jì)充填幾何體與力學(xué)參數(shù)，快速施工、快速增加充填強(qiáng)度達(dá)到最終強(qiáng)度較高且能夠抵抗變形的目的。

4)巷內(nèi)基本支護(hù)與巷旁支護(hù)關(guān)系，目的同樣是在于有效控制頂板巖石的離層與擴(kuò)容現(xiàn)象，能夠達(dá)到減小巷旁支護(hù)的應(yīng)力，同時(shí)錨桿支護(hù)能夠控制煤幫鼓出，另外頂板的錨桿支護(hù)能夠控制頂板斷裂線向煤壁內(nèi)轉(zhuǎn)移，減少頂板回轉(zhuǎn)與下沉，從而共同作用，保持巷道穩(wěn)定。

5)加強(qiáng)支護(hù)與巷旁支護(hù)關(guān)系，目的在于發(fā)揮高阻力作用，阻止頂板下沉，同時(shí)方便切頂，改善頂板受力情況。

巷內(nèi)基本支護(hù)以及巷旁支護(hù)強(qiáng)度對(duì)于留巷頂板控制十分重要，因此，實(shí)現(xiàn)頂板有效管理需要選擇合理的支護(hù)方式，據(jù)此提出“高強(qiáng)錨網(wǎng)索+鋼筋梯+對(duì)拉錨桿+單體支柱配合鉸接梁”的支護(hù)方式進(jìn)行圍巖控制。

3.2 沿空留巷圍巖控制方案

根據(jù)某礦4108工作面實(shí)際地質(zhì)情況，針對(duì)4108回風(fēng)巷進(jìn)行了高水材料巷旁充填工業(yè)性試驗(yàn)，考慮到拉應(yīng)力作用，在充填區(qū)域直接頂補(bǔ)打長(zhǎng)度為2.5 m的錨桿，并考慮到水平錯(cuò)動(dòng)范圍影響所波及的深度范圍，將錨索長(zhǎng)度確定為6.8 m，沿空留巷具體圍巖控制方案如下：

1)巷內(nèi)支護(hù)：頂板補(bǔ)強(qiáng)錨索1排，數(shù)量3根，規(guī)格為Φ21.6 mm×L8 100 mm，間排距設(shè)計(jì)為1 800 mm×1 600 mm；實(shí)體煤幫每2排錨桿間補(bǔ)打1排錨索，規(guī)格為Φ21.6 mm×L4 500 mm，且靠近頂板800 mm處，錨索向上傾斜12°布置，靠近底板800 mm處，垂直煤幫布置。

2)充填區(qū)域直接頂支護(hù)：充填區(qū)域頂板補(bǔ)打錨桿以刀為單位計(jì)量，每割1刀煤補(bǔ)打1排左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm，靠近采空區(qū)側(cè)錨桿向采空區(qū)傾斜16°布置，其余垂直頂板打設(shè)，每2排錨桿中間布置2根Φ21.6 mm×L8 100 mm錨索用以補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

3)巷旁充填體材料水灰比為1.5∶1，為高水材料，構(gòu)筑充填體寬度為3 m，高度根據(jù)實(shí)際采高確定為3.2 m，充填長(zhǎng)度依據(jù)割煤刀數(shù)確定，每4刀煤充填1次，同時(shí)為了提高充填體支護(hù)強(qiáng)度，在其內(nèi)預(yù)埋Φ22 mm的對(duì)拉錨桿，間排距確定為800 mm×800 mm。

4)巷內(nèi)臨時(shí)支護(hù)：巷內(nèi)臨時(shí)支護(hù)的目的在于緩沖充填體達(dá)到預(yù)定強(qiáng)度所需的時(shí)間，同時(shí)利用高阻力支護(hù)阻止頂板下沉，除此之外，單體液壓支柱應(yīng)布置于工作面后方100 m范圍內(nèi)，共3排，間距為1 800 mm，并配合鉸接梁共同實(shí)現(xiàn)支護(hù)強(qiáng)度的提升。

本次巷旁充填試驗(yàn)采用的高水材料強(qiáng)度隨時(shí)間變化見(jiàn)圖2所示。

圖2 充填材料強(qiáng)度隨時(shí)間變化Fig.2 Strength variation of backfill material with time

由圖2可知，充填材料強(qiáng)度在前5 d內(nèi)迅速增加至10.37 MPa，最終強(qiáng)度達(dá)到13 MPa左右后基本保持穩(wěn)定。

4 支護(hù)效果分析

在4108回風(fēng)巷施工結(jié)束后，對(duì)巷道圍巖表面位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別布置于工作面超前與工作面后方，以測(cè)點(diǎn)三為中點(diǎn)，兩邊各布置2組測(cè)點(diǎn)，每組間隔20 m，監(jiān)測(cè)曲線如圖3所示。

圖3 留巷階段回風(fēng)巷表面位移監(jiān)測(cè)曲線Fig.3 Displacement monitoring curve of return airway in gob-side entry retaining

從圖3中可以看出留巷圍巖變形與距工作面距離呈正相關(guān)關(guān)系。在工作面后方由于巷內(nèi)支護(hù)及采空區(qū)充填和巷旁支護(hù)的逐漸形成，圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定。由此說(shuō)明，“高強(qiáng)錨網(wǎng)索+鋼筋梯+對(duì)拉錨桿+單體支柱配合鉸接梁”的支護(hù)方式對(duì)于控制圍巖穩(wěn)定性的效果十分顯著。

5 結(jié)論

1)4108工作面沿空留巷圍巖主要受到基本頂巖層回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及斷裂、頂?shù)装寮懊簬椭ёo(hù)方式、巷旁支護(hù)體支護(hù)強(qiáng)度以及巷內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)方式的影響而產(chǎn)生變形，在采用“高強(qiáng)錨網(wǎng)索+鋼筋梯+對(duì)拉錨桿+單體支柱配合鉸接梁”的支護(hù)方式后，頂板在巷旁充填體與煤幫的有效支護(hù)下形成了穩(wěn)定系統(tǒng)，能夠抵抗圍巖蠕變，控制變形，說(shuō)明成巷質(zhì)量較高。

2)巷內(nèi)錨桿與補(bǔ)強(qiáng)錨索支護(hù)能夠有效控制頂板與圍巖變形，且有利于頂板切頂，另外充填體采用高水材料，對(duì)于維護(hù)頂板起到高強(qiáng)度支撐和抗變形的能力，是成巷的關(guān)鍵。

3)根據(jù)巷旁支護(hù)體的受力特征及穩(wěn)定性要求，將 4108工作面留巷巷旁充填體寬度確定為3.0 m，最終留巷斷面保持在原斷面的80%以上，應(yīng)用效果良好。