8809工作面過空巷覆巖失穩規律及圍巖控制技術研究

祁 航

（大同煤礦集團臨汾宏大豁口煤業有限公司，山西 臨汾 041000）

1 工程概況

同煤集團臨汾宏大豁口煤業有限公司8809工作面位于1026水平308盤區，工作面設計走向910m，可采走向長度590m，傾斜長度為120m（切眼 0～280m）、190m（280～590m）。工作面主采9#+10#煤層，煤層厚度為5.4～5.6m，均厚5.5m，平均傾角11°。煤層直接頂為K2灰巖，均厚10.11m，直接底為泥巖，均厚2.5m，基本底為K1石英砂巖。

根據8809工作面掘進作業時兩順槽揭露情況，工作面內有4條舊空巷。其中J09-01空巷平均寬×高=5m×3m，長262m；J09-02空巷平均寬×高=5m×3m，長230m；J09-03舊空巷平均寬×高=7m×4m，貫穿整個工作面；J09-04舊巷平均寬×高=8m×2.95m，貫穿整個工作面。為保障工作面回采通過空巷區域時的安全生產，急需對工作面過空巷時的覆巖運動規律及圍巖控制技術進行研究。

2 覆巖失穩規律分析

在回采工作面回采通過空巷區域時，空巷上方的頂板巖層中的基本頂中部及兩端對稱位置處會自上而下逐漸發育成拱狀的裂隙帶，同時會在縱向形成縱向裂隙帶，但形成的裂隙帶并不會對基本頂的巖層的全厚進行貫通[1-2]。當工作面推進過空巷時，工作面基本頂的結構圖如圖1所示。

圖1 回采通過空巷區域時基本頂的破斷特征示意圖

通過圖1可知，當工作面與空巷之間的距離逐漸減小時，工作面與空巷間的煤柱會逐漸減小，煤柱在上覆基本頂巖層破斷載荷的作用下會逐漸出現塑性破壞，工作面前方煤體承受著較大的覆巖集中應力的作用。故影響煤柱和空巷穩定性的主要巖層為工作面前方及前方一定距離的關鍵塊體B。隨著工作面的進一步向前推進，此時基本頂會出現周期來壓現象，關鍵塊體B會逐漸彎曲下沉，進而會進一步造成煤柱與空巷的應力集中現象，從而導致煤柱完全進入塑性狀態，空巷圍巖失穩，給工作面的安全生產造成隱患[3-4]。

為研究8809工作面在推進通過空巷區域時頂板覆巖的運動規律，采用UDEC數值模擬軟件進行模擬分析。建立模型×高=120m×80m，設置模型開采高度為5.5m，設置模型側邊的位移條件被限制，固定底板位移，并在模型上部施加上覆巖層的重量6.25MPa。采用J09-01空巷的斷面，在模型中設置空巷寬×高=5m×3m，設置工作面每次回采的開挖長度為2m，設置空巷與工作面開切眼間的間距為34m。

根據數值模擬結果能夠得出工作面推進不同距離時圍巖裂隙場的演化規律，工作面推進8m、16m、20m、24m時裂隙場的分布規律如圖2所示。

圖2 工作面推進不同距離時圍巖裂隙場的分布規律

通過具體分析圖2可知，工作面推進8m時，與空巷間距為26m，上覆基本頂中部開始出現裂隙交錯發育的現象，并在空巷頂板和工作面的頂板區域形成了拱狀的裂隙帶，但基本頂并未發生破壞；工作面推進16m時，與空巷間距為18m，裂隙出現逐漸擴大的現象，煤柱上覆基本頂的縱向裂隙帶的范圍逐漸減小，同時在工作面上覆巖層和煤柱上出現破斷現象；工作面推進20m時，與空巷間距為14m，工作面上覆基本頂巖層與煤柱之間的裂隙已經出現相互貫通的現象，空巷區域基本頂出現局部垮落的現象，工作面的拱形裂隙帶與空巷頂板拱形裂隙帶出現一定的重合區域，此時空巷區域的圍巖出現失穩的現象；工作面推進26m時，與空巷間距為8m，此時工作面與空巷的拱形裂隙帶已經完全重合，在空巷的前端和工作面后方區域的縱向裂隙帶已經擴展至基本頂的底端，上覆基本頂壓力拱的結構已經完全失穩，上覆巖層隨著基本頂的彎曲下沉也同步出現變形下沉現象。

綜合上述分析可知，隨著回采作業的進行，工作面頂板與空巷的頂板區域均會形成拱狀的裂隙帶，且隨著煤柱寬度的減小，拱狀裂隙區域會逐漸重疊。當出現重疊區域時，煤柱基本處于塑性破壞狀態。當工作面回采推進至與空巷距離小于14m時，煤柱與基本頂巖層的裂隙出現了相互貫通的現象，不能保障巷道圍巖的穩定，故應在工作面與空巷間的距離大于14m時，針對空巷圍巖進行支護，以保障工作面順利通過空巷區域。

3 圍巖控制技術

3.1 控制方案設計

為保障8809工作面能夠順利通過空巷區域，在工作面與空巷間隔30m時完成空巷內的支護。為有效防止工作面超前支撐壓力作用下空巷頂板出現冒頂、壓架的現象，特對J09-01和J09-02空巷采取錨網索+工字鋼梁的綜合支護方式，對J09-03和J09-04空巷采用預充填技術。具體方案如下：

（1）J09-01和J09-02空巷控制技術

由于J09-01和J09-02空巷斷面尺寸相對較小，采用錨網索+工字鋼梁的支護方式，保障工作面順利通過該區域的空巷。

錨桿為巷道內原有的錨桿，頂板錨桿型號為Φ18mm×2100mm的螺紋鋼錨桿，每個斷面內布置3根，間排距為1200mm×1000mm。頂板錨索采用型號為Φ17.8mm×6500mm的1×7股鋼絞線，間排距為2000mm×2000mm。兩幫錨桿采用型號Φ16mm×1200mm的高強玻璃鋼錨桿，間排距為1200mm×1000mm，采用直徑6.5mm 的鋼筋編織成的網片，進行空巷的護幫護頂作業。另外頂板使用11#工字鋼架棚支護，棚距為1000mm。如圖3所示。

當工作面與空巷間的煤柱寬度小于20m后，在巷道內部采用臨時支護，臨時支護采用單體支護配合聯鎖木垛進行支護。在距離巷幫的兩側0.3m布置單體柱，設置排距為1.0m，并在巷道中間布置木垛，木垛支設的高度為空巷的高度3m，各層木垛間通過5m的大板進行連接。

圖3 空巷內支護方式布置示意圖

（2）J09-03和J09-04空巷控制技術

由于J09-02和J09-03斷面尺寸為寬×高=8m×2.95m、7m×4m，采用普通的錨網索支護并不能保障工作面順利通過空巷區域，特采用預充填技術進行圍巖控制。在工作面距離空巷區域間的煤柱寬度為18m時進行預充填，每個斷面上布置兩個鉆孔，分別為截割層注漿孔和承載層注漿孔。鉆孔的終孔位置分別位于截割層和垮落矸石層，設置鉆孔的仰角為6°～14°，鉆孔沿著工作面方向的排距為5m。截割層鉆孔在距離底板1.0m的位置處打設，承載層鉆孔在距離工作面底板1.5m的高度布置。具體空巷區域注漿鉆孔布置如圖4所示。

圖4 空巷充填注漿鉆孔布置方式示意圖

本次充填注漿作業使用的充填材料為高水充填材料，材料的水灰比為5:1，在進行注漿作業時設置漿液的終孔注漿壓力為4～5MPa。本次注漿鉆孔的封孔材料使用水泥水玻璃，水泥漿水灰比為0.6:1，水泥漿與水玻璃漿液為1:1，封孔長度為1.2m，當封孔材料施工后2h后即可進行開泵注漿作業。單孔注漿量的多少根據空巷內圍巖的具體情況確定，當工作面或回采順槽內出現大范圍的跑漿時，即可停止注漿作業。

3.2 效果分析

為有效驗證工作面過空巷區域圍巖控制技術的效果，由于J09-03和J09-04空巷采用的預充填技術，工作面正常推進通過該區域即可，現主要對工作面推進通過J09-01空巷圍巖的變形量進行監測分析，具體驗證J09-01空巷圍巖控制的效果。具體工作面回采期間空巷圍巖變形量如圖5所示。

圖5 空巷圍巖變形量曲線圖

通過具體分析圖5可知，空巷圍巖在工作面回采作用下出現先增大后逐漸穩定的趨勢。在工作面與空巷間距為25m時，頂底板及兩幫移近量開始逐漸增大；當工作面與空巷距離10m時，空巷的圍巖變形量達到最大值，頂底板移近量和兩幫移近量分別為400mm和200mm；隨后隨著工作面的推進，圍巖變形量僅在很小的范圍內出現變化?；诖?，可知空巷內的圍巖控制技術能夠保障工作面順利通過空巷區域。

4 結論

根據8809工作面內空巷分布的具體特征，通過具體分析工作面通過空巷區域時覆巖失穩規律，采用數值模擬分析了工作面與空巷間不同間距時圍巖裂隙場的分布規律。結合工作面空巷的特征，提出J09-01和J09-02空巷采取錨網索+工字鋼梁的綜合支護方式，J09-03和J09-04空巷采用預充填控制技術。該空巷圍巖控制技術保障了工作面順利通過空巷區域。