伏巖煤業重復采動巷道頂板失穩機理及控制技術

李文東

(山西陽城陽泰集團 伏巖煤業有限公司，山西 陽城 048105)

1 工程概況

伏巖煤業目前開采3號煤層，3號煤層賦存穩定，厚度變化較小，煤質以亮煤為主，煤層厚度為5.53～7.76 m，平均6.50 m，煤層傾角1～6°。正在回采的3204工作面位于二采區大巷西側，東部為中央大巷，西接礦界保安煤柱，北為3206工作面(未采)，南為3202工作面采空區。工作面地面標高+795～+824 m，井下標高+410～+494 m，平均埋深約350 m。工作面采用綜采一次采全高的采煤方法，全部垮落法管理頂板。設計3204輔助運輸巷留巷作為3206工作面的回風巷使用。3204輔助運輸巷與3204工作面間煤柱寬度為20 m，該巷需承受3204和3206兩個工作面的采動影響，在3204工作面回采初期輔助運輸巷頂板出現明顯的下沉現象，需采取適當措施進行治理。

2 3204輔助運輸巷圍巖變形現狀

2.1 3204輔助運輸巷支護方案

3204輔助運輸巷斷面為矩形，尺寸為：寬×高=5.4 m×3.4 m。頂板采用“錨網索+π型鋼帶”進行支護，錨桿采用D22 mm×2 400 mm的左旋無縱筋螺紋鋼樹脂錨桿，間排距為1 000 mm×1 000 mm，每排布置6根，與兩側煤壁距離200 mm，均垂直頂板安裝，錨固劑采用K2335和Z2360 樹脂藥卷各一支，頂網采用由直徑為6.5 mm鐵絲制成的網孔為150 mm×150 mm的菱形網，網片規格為5 200 mm×1 100 mm，錨索采用D22 mm×8 000 mm的高強錨索，間排距為2 100 mm×2 000 mm，每排3根，距離兩幫煤壁600 mm，均垂直頂板安裝，錨索間通過長度為4 600 mm的五孔π型鋼帶聯結，錨固劑采用兩支K2335 和一支Z2360樹脂藥卷錨固劑。

煤柱幫采用“螺紋鋼錨桿+木托盤+鉛絲網”聯合支護，錨桿采用D18 mm×2 100 mm的螺紋鋼樹脂錨桿，間排距為800 mm×1 000 mm，靠近底板的錨桿與地板距離為700 mm，錨固方式和頂板錨桿相同，均垂直煤壁安裝，錨桿托盤為500 mm×200 mm×50 mm的木托盤，幫網采用規格3 400 mm×1 100 mm的由10號鉛絲加工而成的金屬網，網孔尺寸45 mm×45 mm，鉛絲網間的搭接寬度不小于100 mm。靠3206工作面側支護方式為“玻璃鋼錨桿+木托板+塑料網”，錨桿采用D22 mm×2 100 mm的玻璃鋼錨桿，布置方式與煤柱幫相同，幫網采用3 400 mm×1 100 mm的高強度塑料網，網孔40 mm×40 mm，網片之間搭接通過14號雙股鉛絲固定，塑料網與頂板菱形網搭接長度為200 mm，塑料網與頂網搭接處用π型鋼帶壓實。支護方案如圖1所示。

圖1 3204輔助運輸巷支護方案示意(mm)

2.2 3204輔助運輸巷圍巖失穩機理

3204工作面回采時輔助運輸巷圍巖出現明顯的礦壓顯現，為詳細了解在一次采動影響下留巷圍巖的變形情況，對3204輔助運輸巷的圍巖位移情況進行了現場觀測，此時3204工作面已回采了680 m，對工作面前方200 m和工作面后方進行了觀測，觀測的區段和結果如圖2所示。

圖2 3204輔助運輸巷圍巖位移監測方案及結果

由圖2(b)和(c)可知：在3204工作面采動影響下，工作面后方630～420 m范圍內頂板下沉量呈增大趨勢，工作面后方420～190 m范圍內頂板下沉量達到最大并且基本穩定，平均約為64.2 cm，工作面后方190～0 m范圍內，頂板下沉量逐漸增大；超前工作面200 m范圍內，頂板下沉量波動不大，平均約為24.9 cm。但兩幫相對移進量變化幅度不大，平均值約為9.8 cm。根據以上監測結果可知：3204工作面回采期間，輔助運輸巷對應工作面前方圍巖未出現明顯的失穩破壞情況，而在工作面對應位置及后方圍巖開始出現明顯的失穩，隨著與工作面距離的增加，巷道圍巖變形量逐漸增大最終趨于穩定，圍巖失穩的主要形式為頂板下沉出現網兜和錨桿錨索破斷失效，在工作面后方一定距離內，已嚴重影響巷道留巷作為3206回風巷的正常使用。

3 3204輔助運輸巷補強支護設計

根據現場礦壓觀測結果可知，3204輔助運輸巷圍巖失穩變形主要是由于工作面采動的影響，在工作面后方一定距離內頂板發生明顯的失穩破壞，為防止其影響工作面的安全正常生產，并作為3206工作面回風巷的正常使用，需對巷道進行補強支護。為合理確定補強方案，結合3204工作面具體的地質條件，采用FLAC3D數值模擬軟件建立模型，煤巖體采用摩爾-庫倫彈塑性單元，錨桿錨索采用 cable 結構單元模擬[2]，模擬不同支護方案下的圍巖控制效果[1]。模擬方案：①原支護方案，頂板支護阻力為0.23 MPa/m2；②補強方案一，頂板錨桿每排增加6根，即錨桿間排距變為450 mm×1 000 mm，每兩排錨桿間增加一排錨索，錨索間排距變為 2 100 mm×1 000 mm，頂板支護阻力為0.46 MPa/m2；③補強方案二，頂板錨桿每排增加到24根，間排距變為210 mm×1 000 mm ，錨索在方案一的基礎上每排增加到6根，錨索間排距變為800×1 000 mm，頂板支護阻力為0.69 MPa/m2。模擬結果如圖3和表1所示。

圖3 不同支護方案圍巖塑性破壞云圖

表1 不同支護方案下圍巖變形量

由圖3及表1可知，在原有支護方案條件下，巷道頂板和兩幫塑性破壞范圍較大，頂板下沉量較大，采取補強方案一支護后，頂板的塑性破壞范圍減小40%，兩幫塑性破壞區減小75%，頂板下沉量減小69.8%，兩幫移進量減小54%，圍巖的穩定性顯著提高；采取方案二，巷道圍巖的塑性區基本未發生變化，頂板下沉量比方案一降低了23.8%，兩幫移進量降低了13.3%，圍巖的位移量略有減小。綜上分析可知，在3204輔助運輸巷采取頂板補強支護的方式能夠有效提高圍巖的穩定性，減少頂板的下沉量。

4 現場應用及效果分析

4.1 3204輔助運輸巷補強支護

根據以上分析，決定在3204工作面停采線位置后方1 200 m范圍內的輔助運輸巷采取補強支護措施。由于每排錨桿增加到12根施工起來較困難，并且頂板塑性破壞范圍較小，頂板下沉主要是由于頂板離層引起的，因此應以“防懸頂”為重點[3-4]，設計采用D22 mm×8 000 mm的高強錨索進行補強，在原有每排3根錨索基礎上補打兩根錨索，并在沒有布置錨索的兩排錨桿之間增加一排錨索，即錨索最終布置形式為“五三五”，錨索排距為1 000 mm，每排5根錨索的間距為1 050 mm，每排3根錨索的間距為2 100 mm，均垂直頂板安裝，錨固方式與原有支護方案相同，補強后頂板支護方案如圖4所示。

4.2 補強支護效果

為考察3204輔助運輸巷頂板采用錨索補強支護的效果，3204工作面回采期間，在3204輔助運輸巷距離工作面停采線700～1 000 m內設置圍巖位移監測站，整理后得到如圖5(b)所示結果。由圖5可知，采取補強支護后，3204輔助運輸巷在3204工作面采動影響下圍巖的變形量明顯減小，頂底板相對移近量最大約16.0 cm，平均約12.0 cm，由此可見采用錨索補強支護有效控制了一次采動影響下留巷頂板的過度下沉，取得了良好的支護效果。

圖4 頂板補強支護方案(mm)

圖5 現場應用效果觀測

5 結 語

伏巖煤業3204工作面回采期間其輔助運輸巷圍巖出現明顯的失穩現象，通過現場礦壓觀測及理論分析，得知巷道圍巖主要失穩形式為頂板下沉，主要變形區段為工作面后方420～190 m范圍內，由此對距離停采線1 200 m范圍內的巷道頂板進行了加固，采取補強支護后，3204輔助運輸巷在3204工作面采動影響下圍巖的變形量明顯減小，頂底板相對移近量最大約16.0 cm，平均約12.0 cm，能夠滿足其作為3206工作面回風巷的斷面需求，取得了良好的應用效果。