開拓煤業(yè)采空區(qū)下回采巷道圍巖控制機理及技術(shù)研究

李茹俊

(潞安化工集團 蒲縣開拓煤業(yè)有限公司，山西 蒲縣 041200)

1 工程概況

開拓煤業(yè)3119工作面井下位于31采區(qū)(井田的北部邊界)，東面為鳳凰臺煤業(yè)工業(yè)場地保安煤柱，西面為礦井主要大巷，南面為布置的3煤未開采區(qū)，北面為與鳳凰臺煤業(yè)的井田保安煤柱。工作面開采3號煤層，煤層平均厚度為2.7 m，平均傾角為4°，煤層中部含有1層夾矸，夾矸層厚度為0.3 m，工作面上方為2號煤層采空區(qū)，2號煤層平均厚度為2.12 m，3號煤層與2號煤層間巖層為砂質(zhì)泥巖，巖層質(zhì)軟，節(jié)理裂隙發(fā)育，平均間距為0.5 m，2號煤層頂板巖層為砂質(zhì)泥巖和粉砂巖，目前礦井2號煤層已回采完畢(3119工作面上方2號煤層采空區(qū)封閉時間為2010年6月)，3119工作面回采屬于近距離煤層采空區(qū)下開采，為保障工作面回采巷道圍巖的穩(wěn)定，特進(jìn)行回采巷道圍巖變形機理及控制技術(shù)研究。

2 采空區(qū)下巷道控制機理

2.1 控制機理

通過對采空區(qū)下工作面巷道圍巖的變形特征分析，由于2號和3號煤層間距極薄，僅為0.5 m，巷道頂板0.5 m上是采空區(qū)，所以巷道變形嚴(yán)重。根據(jù)工作面開采擾動形式、頂板結(jié)構(gòu)特征及超前支承壓力分布形態(tài)可知，近距離采空區(qū)下煤層在上覆老空區(qū)結(jié)構(gòu)不同類型下，頂板結(jié)構(gòu)會發(fā)生不同形式的演變，進(jìn)而致使頂板表現(xiàn)出不同的承載特征，其對巷道圍巖會造成不同程度的影響。巷道頂板結(jié)構(gòu)主要可劃分為非充分垮落殘留空區(qū)下巷道頂板結(jié)構(gòu)和充分垮落殘留空區(qū)下巷道頂板結(jié)構(gòu)[1-2]。

根據(jù)3119工作面的具體條件可知，2號煤層回采后頂板充分垮落，故現(xiàn)主要進(jìn)行充分垮落殘留空區(qū)下巷道頂板結(jié)構(gòu)分析。2號煤層回采完畢后，經(jīng)過一段時間的變形，覆巖逐漸充分垮落并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時巷道頂板呈現(xiàn)出“殘煤層-散體直接頂-塊狀基本頂”的組合形態(tài)。

基于上述頂板結(jié)構(gòu)特征的分析可知，若要保障巷道頂板不破壞，需保障工作面煤層在垮落矸石沖擊作用下不會發(fā)生破斷，同時需保障已經(jīng)垮落的矸石、塊體不會發(fā)生剪切滑移失穩(wěn)現(xiàn)象，避免殘煤層結(jié)構(gòu)的破壞。基于上述分析可知，減小空區(qū)范圍是減緩垮落矸石沖擊作用的關(guān)鍵。據(jù)此可知，若要實現(xiàn)巷道圍巖的穩(wěn)定，最為有效的措施是對頂板空區(qū)進(jìn)行處理，同時還需要確定合理的支護(hù)體形式以充分保障回采巷道頂板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定[3-4]。

2.2 控制原則

基于上述近距離煤層采空區(qū)下回采巷道圍巖的特征分析和3119工作面具體條件可知，回采巷道的圍巖處于應(yīng)力釋放狀態(tài)，頂板處于懸空狀態(tài)，易在采動影響下出現(xiàn)失穩(wěn)破斷現(xiàn)象，故巷道的頂板和肩部圍巖控制是關(guān)鍵。綜合上述分析確定巷道采用錨網(wǎng)索+架棚+頂板充填的控制技術(shù)，具體該巷道圍巖控制技術(shù)中各項支護(hù)措施控制原則如下：

2.2.1 棚式支護(hù)技術(shù)

采空區(qū)下的回采巷道頂板主要以垮落的矸石為主，且?guī)r層的厚度及強度較低，且?guī)r體的破碎度較高，此時采用錨網(wǎng)索支護(hù)會限制錨桿(索)的有效錨固長度，進(jìn)而導(dǎo)致巖體與支護(hù)體間相互分離，最終難以達(dá)到支護(hù)體與圍巖相互形成的承載結(jié)構(gòu)。當(dāng)采空區(qū)下頂板采用棚式支護(hù)時，構(gòu)件間的彈性和可縮性變形能夠有效調(diào)節(jié)各個構(gòu)件間的承載荷載，棚式支護(hù)中的支架變形和可縮性過程能夠保持支護(hù)體對圍巖體較高的支護(hù)阻力和承載能力[5]。基于3119工作面的特征，采用工字鋼棚支護(hù)，支護(hù)作業(yè)時配合金屬網(wǎng)和鐵背板一起使用。

2.2.2 頂板充填支護(hù)

根據(jù)相關(guān)破碎帶注漿補強支護(hù)的理論研究可知，頂板空區(qū)注漿充填控制作用機理主要包括兩個方面，分別如下：

1) 減小頂板殘留空頂區(qū)范圍，以充分阻止空區(qū)頂板進(jìn)一步破碎。頂板空區(qū)充填后，注漿后的頂板可阻止頂板空區(qū)的進(jìn)一步發(fā)育，充分減小矸石的垮落空間，以減小頂板在采動影響頂板破斷后的沖擊荷載，具體作用方式如圖1所示。

圖1 空區(qū)巷道頂板充填示意

2) 注漿固結(jié)破碎頂板，改善頂板承載特性：通過漿液使得巷道破碎頂板與空區(qū)頂板有效固結(jié)為一個整體，進(jìn)而增強頂板的有效承載厚度，充分提高頂板的殘余強度及內(nèi)摩擦角，進(jìn)而使得頂板具有較高的支撐能力[6]。

2.2.3 錨網(wǎng)支護(hù)

由于2號煤層采空區(qū)與3號煤層間的平均間距僅為0.5 m，2號煤層的平均厚度為2.1 m，2號煤層頂板為細(xì)粒砂巖和中粒砂巖，2號煤層頂板巖層破斷后的塊體較大，巖層的強度相對較高，且破碎頂板在注漿充填后，頂板破碎圍巖間可有效固結(jié)成一個整體，此時采用錨網(wǎng)支護(hù)主要為控制圍巖變形的不協(xié)調(diào)部位，同時可限制巷道圍巖發(fā)生損傷變形，通過錨網(wǎng)支護(hù)盡量實現(xiàn)圍巖表面及內(nèi)部荷載的支護(hù)一體化和均布化，通過頂板充填體與錨網(wǎng)索支護(hù)和架棚支護(hù)間相互耦合，能夠在較大幅度上提升頂板的自身承載特性，在較大幅度上提升支架的工作阻力，使得巷道圍巖通過錨網(wǎng)索支護(hù)產(chǎn)生協(xié)調(diào)變形，達(dá)到增強巷道圍巖穩(wěn)定性的目的。

3 采空區(qū)下圍巖控制技術(shù)

3.1 圍巖控制技術(shù)

根據(jù)3119工作面回采巷道的具體地質(zhì)條件，現(xiàn)以軌道回風(fēng)巷為工程背景(巷道斷面為寬×高=4.0 m×2.6 m)，結(jié)合上述采空區(qū)下回采巷道圍巖控制機理及控制原則，確定巷道采用工字鋼棚+頂板充填+錨網(wǎng)的支護(hù)方案，具體各項支護(hù)措施如下：

1) 工字鋼棚支護(hù)：巷道頂梁和支腿均采用11號礦用工字鋼，頂梁長度和支腿長度分別為3.0 m和2.8 m，棚距為0.8 m，每架棚頂剎桿為6根，規(guī)格尺寸為1 000 mm×100 mm×40 mm，間距0.5 m。每架棚側(cè)剎桿為2根，兩側(cè)各1根。棚間采用拉桿進(jìn)行連接，頂梁之間和支腿分別采用2個拉桿和1個拉桿，拉桿采用D16 mm圓鋼制作，護(hù)頂材料采用10號鐵絲編制的金屬網(wǎng)，網(wǎng)片規(guī)格3 200 mm×1 200 mm，網(wǎng)孔規(guī)格50 mm×50 mm。

2) 頂板充填支護(hù)：頂板充填鉆孔沿著巷道中心線布置，其中主充填鉆孔斷面內(nèi)僅布置1個鉆孔，孔間距為4 m；輔助充填鉆孔分別在距主充填鉆孔兩側(cè)2 m的位置處布置，輔助鉆孔與主充填鉆孔錯距2 m布置，鉆孔間距均為4 m，其中主充填鉆孔長度為3 m，終孔位于采空區(qū)上方，輔助鉆孔長度為1.5 m，主充填鉆孔和輔助充填鉆孔充填材料均采用高砂高泡水泥基材料，注漿作業(yè)時先進(jìn)行輔助充填鉆孔的施工，待輔助充填鉆孔注漿完畢凝固后，再進(jìn)行主鉆孔的充填注漿作業(yè)，以此確保充填效果，具體頂板充填方式如圖2所示。

圖2 頂板充填鉆孔布置方式示意

3) 錨網(wǎng)支護(hù)：錨桿為20號-M22-2 000 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，頂板錨桿間排距為900 mm×1 000 mm；幫部錨桿間排距為1 000 mm×800 mm，錨桿預(yù)緊力為250 N·m；錨桿間采用鋼筋梯子梁進(jìn)行連接，規(guī)格為：長×寬=3 000 mm×80 mm。

具體3119工作面軌道回風(fēng)巷支護(hù)斷面如圖3所示。

圖3 巷道支護(hù)斷面(mm)

3.2 效果分析

1) 頂板充填效果分析：巷道支護(hù)方案實施后，采用YTJ20型巖層窺視儀進(jìn)行注漿區(qū)域頂板巖層的窺視分析，并在未充填區(qū)域進(jìn)行觀測，以形成對比分析，具體頂板未充填時和充填后的觀測鉆孔內(nèi)的巖層特征如圖4所示。

圖4 頂板充填前厚巖層窺視圖

分析圖4可知，頂板未實施充填時，頂板中明顯存著空頂區(qū)域，且頂板巖層間整體處于破碎狀態(tài)，巖體的完整性較差，而頂板充填方案實施后，在凝固后漿液的作用下空頂區(qū)域被有效充填，且破碎巖層被有效連接為一個整體，提升了頂板巖層的承載能力。

2) 巷道圍巖變形量：3119工作面軌道回風(fēng)巷掘進(jìn)期間，通過監(jiān)測分析得出，巷道圍巖在掘出40 d后，圍巖變形達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，頂?shù)装遄畲笠平繛?10 mm，兩幫最大移近量為95 mm，據(jù)此可知圍巖整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié) 語

根據(jù)3119工作面的地質(zhì)條件，基于采空區(qū)下回采巷道特征，通過分析圍巖控制機理及控制原則，確定巷道采用工字鋼棚+頂板充填+錨網(wǎng)的支護(hù)方案，結(jié)合巷道具體特征進(jìn)行各項支護(hù)參數(shù)設(shè)計，根據(jù)巷道掘進(jìn)期間的觀測結(jié)果可知，頂板空頂區(qū)域得到有效充填，掘巷期間圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。