三交河煤礦復雜圍巖巷道變形控制研究

趙 敏

（霍州煤電集團安監局五人小組，山西 霍州031400）

1 工程概況

三交河煤礦11-105工作面開采礦井11號煤層，開采水平位+850 m南翼，工作面地面標高+1 123～+1 208 m，井下標高+846～+945 m，其東側、南側為實體煤，西側為10-001工作面，北端為下組煤東軌道巷。工作面范圍上部為原三交河2-301、2-302、2-401、2-402采空區。工作面煤層厚度平均為3.3 m，煤層傾角平均為7°，煤層厚度穩定，夾矸為泥巖。11-105工作面頂底板巖性見表1。

表1 11-105工作面頂底板巖性

11-105工作面直接頂主要為泥巖，在部分變化較大階段出現泥巖與煤層互層現象，工作面順槽完全沿煤層布置，煤層硬度f=2，在開采過程中，巷道受開采活動影響原有應力狀態被打破，整體會出現較大的變形破壞，頂底板與兩幫出現的破壞形式不同，研究復雜圍巖狀態下工作面巷道變形控制技術，是當前礦井安全生產面臨的重要考驗[1-3]。

2 工作面巷道變形破壞特征分析

根據11-105工作面巷道受采動影響的效果，采用聲波法探測巷道圍巖松動圈發育范圍，聲波在煤巖體中傳播的速度可以間接反映煤巖體抗壓強度和內部破壞情況。其中1號測站布置在工作面回風順槽前方150 m處，2號測站布置在工作面運輸順槽前方30 m處，3號測站布置在工作面回風順槽前方30 m處，聲波監測結果轉化為破壞范圍后的統計數據見表2。根據監測結果，工作面兩巷松動圈發育范圍在測站1中工作面側和煤柱側均為1.0 m，測站2工作面側是0.85 m、煤柱側是0.75 m，測站3工作面側是1.4 m、煤柱側是1.1 m。整體來看，11-105工作面回采巷道的松動圈發育均呈現工作面側較大的現象，這是由于較軟弱煤體在垂直應力影響下出現剪切破壞的原因。

表2 不同采動階段下巷道松動圈范圍

根據松動圈發育監測結果，可以將巷道破壞形狀劃分為圖1所示，在巷道開挖之后，圍巖四周會從近到遠出現破裂區、塑性區、彈性區和原巖應力區，破裂區的圍巖強度基本喪失，會出現很明顯的位移和破碎狀態；塑性區狀態下，圍巖出現塑性破壞，隨著距離巷道斷面越遠，圍巖強度逐步增大；彈性區和原巖應力區的應力狀態基本保持不變，完整性較強，因此松動圈發育的范圍可以包括破裂區和塑性區，11-105工作面全煤巷道情況下，頂底板和巷幫性質不同，頂板受拉、兩幫受壓，松動圈就很容易出現“凸”形分布，而根據松動圈劃分等級[4-7]，工作面松動圈劃分等級為中松動圈，為此需要采取錨網索強力支護措施控制巷道復雜圍巖的變形破壞。

圖1 巷道破壞劃分區域

3 工作面復雜圍巖巷道控制技術

3.1 工作面正常段錨網索支護技術設計

11-105工作面回風順槽斷面形狀為矩形，毛斷面尺寸為5 000 mm×3 200 mm，凈斷面尺寸為4 800 mm×3 100 mm，巷道斷面整體采用錨網、錨索、鋼帶聯合支護方式。頂板采用長短錨索聯合支護布置方式，整體設計為“五·五”布置，其中“一·五”為短錨索，錨索型號采用φ21.6 mm×5 200 mm的鋼絞線，“二·三·四”為長錨索，錨索型號為φ21.6 mm× 7 200 mm的鋼絞線，間排距1 100 mm×1 300 mm，頂板肩角錨桿距幫300mm、垂直于頂板打設；幫部采用錨網梁支護方式，幫錨桿“三·三”布置，錨桿規格為φ20 mm×2 000 mm的螺紋鋼錨桿，間排距為1 200 mm×1 300 mm，底部錨桿距底板為500 mm、頂部錨桿距頂板為300 mm。頂板長短錨索均采用2條Z2388樹脂錨固劑，，錨梁材料選用12號圓鋼制作，長度為4 800 mm的5孔錨梁，幫部錨桿采用高強度托盤，規格為300 mm×300 mm×14 mm，頂部錨網規格為2 400 mm×1 300 mm，網眼大小為100 mm×100 mm，搭接長度為100 mm。

圖2 11-105工作面回風順槽巷道支護斷面

3.2 工作面超前段支護技術設計

工作面運輸順槽超前工作面煤壁線30m范圍內采用DW-32(38)-250/110型單體支柱配合HDC-4200型π梁“一梁兩柱”進行支護，棚腿為DW-32(38)-250/110型單體支柱，棚梁為HDC-4200型π梁，排距0.9 m，π梁平行工作面布置。皮帶巷支柱靠工作面側距煤壁0.3 m，靠煤柱側距吊掛管路0.1 m。單體柱保持一條直線，偏差不大于±0.1 m。破碎機電機減速器在煤壁側沒有支設單體柱空間，在行人側采用懸臂梁方式支設2根單體柱，安全出口不小于0.8 m。

由于頂板巖層只采用了長短錨索的支護方式，因此需要在地質復雜階段采取錨索防斷措施，具體方式可采用對錨索注水泥漿體，并提前對錨索進行防銹材料處理，同時可以適當增大錨索的橫截面積，張拉前將錨索托盤與頂板緊貼，加強錨索的質量管理和檢測，保證錨索的使用強度。

3.3 工作面巷道圍巖控制效果分析

在11-105工作面錨網索支護后的巷道進行變形和壓力監測，監測工程段為100 m，設置巷道變形收斂監測裝置10個和錨索受力監測裝置10個，表面位移監測采用三角形布點法監測位移、每組3個測點，錨索受力采用錨桿測力計進行監測、每組1個測力計，處理后的監測數據如圖3所示。由監測結果可知，頂板最大下沉速率為30.2 mm/d，最終下沉速率不超過0.5 mm/d，平均下沉速率5 mm/d，兩幫最終相對移近速率不超過0.5 mm/d，頂板錨索荷載最大值為39 kN。從圖中可以看出巷道收斂變形經歷了加速變形、緩慢變形和基本穩定的階段，頂板和兩幫變形量得到了控制并最終趨于穩定，錨索能夠充分發揮懸吊作用，松動圈發育范圍也沒有進一步增加趨勢，說明工作面回采巷道的支護技術方案是合理的，巷道完整性能夠達到礦井安全生產的需要。

圖3 巷道監測數據分析

4 結論

三交河煤礦11-105工作面回采順槽圍巖巖性較復雜，巷道頂板為泥巖夾層，兩幫為煤體，松動圈測試表明巷道圍巖整體發育范圍在0.8～1.3 m之間，屬于中松動圈圍巖性質。在此基礎上，為保證工作面回采順槽的穩定性，采用錨網索支護的方式進行巷道控制，工程應用中工作面回采順槽圍巖變形收斂速率逐漸穩定，巷道完整性得到控制，能夠滿足礦井安全生產需要。