毛則渠煤礦2號煤層頂分層破壞區下掘進過空巷技術研究

任兆鑫

(山西鄉寧焦煤集團 毛則渠煤炭有限公司，山西 臨汾 042100)

1 工程概況

毛則渠井田209工作面運輸巷位于采區西翼，巷道布置沿2號煤層底板掘進，煤層平均厚度為7.06 m，煤層一般含1～3層夾石，最多可達5層，夾石一般厚度0.20 m左右，結構為簡單-復雜。巷道為南北走向布置。209工作面運輸巷掘進800 m過程中共揭露8條空巷，有上分層空巷、中分層空巷和底煤空巷，分別與工作面平行、斜交、立交布置，工作面空巷分布及位置關系見表1。

表1 空巷特征

209運輸巷巷道斷面設計為梯形，巷道凈高2.6 m，巷道上寬3.7 m，下寬4.5 m。巷內采用梯形棚支護(12號工字鋼)，棚距700 mm，全斷面采用金屬網+木背板腰幫背頂，棚腿處采用地梁+鋼釘限制棚腿移動，地梁為12號工字鋼，長度為2 600 mm，鋼釘規格為直徑×長度=30 mm×400 mm，具體209工作面運輸巷支護斷面示意如圖2所示。為保障巷道順利掘進通過空巷區域，特進行掘進過空巷技術研究。

圖2 巷道支護斷面圖(mm)

2 復采區域圍巖變形機理

毛則渠井田2號煤層大部分厚約2.5 m的上分層，由歷代小井采用短壁房柱式和巷柱式開采，致使上分層形成的空間結構極為復雜，其中下分層剩余煤體厚度約為4.5 m，采用放頂煤工藝回采。現采用數值模擬方法，對毛則渠煤礦2號煤層在房柱式開采條件下，頂板運動及垮落情況特征進行分析，為巷道掘進過空巷圍巖控制提供基礎依據。

根據209工作面開采過程和巷道布置完全按照毛則渠煤礦2號煤層舊式開采的情況，模型尺寸為：155 m×130 m×59.5 m，邊界各留20 m煤柱用以消除邊界效應影響[1-3]，全網格劃分為42萬個單元，具體數值模型如圖3所示。

圖3 數值模型示意

根據數值模擬結果，具體進行房柱式開采后圍巖應力及塑性區分布特征，分析如下。

1) 煤柱區域垂直應力分布云圖如圖4所示。

圖4 煤柱垂直應力等值線云圖

從圖4可以看出，煤層經過小窯采動破壞后，在遺留的倉房煤柱區域均存在不同程度的應力集中，部分區域最大垂直應力達到1.76 MPa，最大應力集中系數達2，另外遺留煤柱區域的應力集中現象基本均出現在煤柱的中心區域，即煤柱的中心區域為應力集中最大處，該處承受的應力值最大。在倉房區的上方，由于上覆巖層大部分均由下方的煤柱所支承，倉房區域的頂板應力會通過倉房煤柱向煤層底板傳遞，進而表現為倉房區域頂板應力相對較低，倉房區域的煤柱垂直應力較小，另外在倉房區的中部區域還存在拉應力區域，最大拉應力達到0.5 MPa，由于煤層經歷小窯采動影響后，煤層破壞程度較大，且煤層能夠承受的拉應力較小，因此在煤層拉應力區域易產生冒頂破壞，故而在該區域進行采掘作業時，應加強巷道支護，確保采掘作業的安全，避免出現冒頂事故。在煤柱區域進行巷道掘進作業時，巷道幫部也出現一定的應力集中現象，巷幫應力集中最大值出現巷幫中部區域，該區域的應力集中最大值達到1.9，煤柱區域頂板中部同樣存在拉應力區域，最大拉應力達到0.2 MPa；另外在采掘擾動下，巷道周圍存在一定的卸壓區域，但煤柱區域相較于倉房區域其卸壓區域及范圍較小。

綜合上述分析可知，巷道掘進通過空巷破碎區域時，掘進期間應重點加強頂板及煤柱角點的支護[4-6]。

2) 根據數值模擬結果得出，當采用房柱式開采后，圍巖塑性區的破壞特征如圖5所示。

圖5 煤柱破壞區分布示意

從圖5(a)中可知，房柱式開采后，遺留煤柱塑性區基本均處于煤柱的邊緣和四角區域，這與垂直應力分布云圖分析結果相一致，煤柱在集中應力作用下塑性區不斷發育，煤柱塑性區發育范圍小，彈性區范圍大，彈性區占到煤柱整體寬度的60%，塑性區的發育寬度僅為1～1.3 m。房柱式開采倉房區圍巖破壞分布范圍如圖5(b)所示，可以看出，倉房區破壞范圍較大且呈拱形，最大破壞高度延伸至基本頂下部，高達4.8 m，煤柱破壞深度為1.3 m，底板破壞深度1.2 m。巷道周圍煤巖體破壞區分布如圖5(c)所示，可以看出，巷道頂板破壞較為嚴重，破壞深度達到直接頂下方，高達2.5 m，底板破壞深度亦為1 m，巷道兩幫破壞深度為1 m。

3 掘進過空巷技術方案

根據209工作面運輸巷的具體地質條件，結合前述復采區域圍巖變形機理的分析結果，確定復采區域掘進巷道圍巖控制的關鍵技術：低擾動掘進+高剛度支護。具體巷道掘進過空巷的方案如下：

1) 低擾動掘進：巷道掘進時，采取“短進尺、小擾動”的施工原則，避免巷道掘進對圍巖產生過大的擾動，并及時對揭露的圍巖進行支護。撞楔法的優點是工序簡單、施工費用低、材料消耗少、施工速度相對較快，而且與工字鋼棚配合使用，操作方便。實際應用時還應在掘進工作面后及時用π型鋼梁和單體支柱加強超前臨時支護，以保證新揭露圍巖的穩定性。撞楔的主要作用是鋼釬的梁效應[7]，如圖6所示。

圖6 鋼釬的梁效應圖

現有使用的鋼釬直徑一般均為30～50 mm，一頭削尖，一頭壓扁，削尖一頭利于穿入煤巖體，壓扁一頭利于捶打，鋼釬長度一般為2.5～4 m，鋼釬布置間距一般為200～300 mm。

2) 高強度剛性支護：掘進工作面與空巷相交時靈活采用縮小棚距或對棚、錨注、錨拉支架以及采用料石砌墻等多種加強支護方式。一般情況下，可采取縮小棚距或采用對棚并使用木垛配合方式加強支護。如果圍巖特別破碎，巖塊較小，頂板和兩幫流變性大或者空巷積水等情況下可采取錨注方式加固圍巖，并使圍巖與水隔離。對于空巷內頂板強度較高，完整性較好，錨桿和錨索能夠鋪固在堅硬的巖層上，可采取錨拉支架方式進行加固。復采巷道掘進期間需要在空頂狀態下能夠接頂，采取打木垛的方式處理巷道空頂的問題，支護方案如圖7所示。

圖7 單體柱+鋼棚+料石墻砌筑支護示意

4 效果分析

209工作面運輸巷掘進過空巷期間，在巷道迎頭布置礦壓監測站，根據觀測結果能夠得出圍巖變形曲線如圖8所示。

圖8 巷道掘進過空巷期間圍巖變形曲線圖

分析圖8可知，巷道掘進過空巷期間，圍巖變形主要出現在掘出后的0～10 d內，圍巖在巷道掘出后20 d后，圍巖基本處穩定狀態，變形量不再增大，最終頂底板及兩幫最大變形量分別為89 mm和148 mm。

5 結 語

根據209工作面運輸巷特征，通過模擬分析復采區域圍巖變形機理，得出遺留煤柱內最大應力集中系數為1.9～2.0；得出房柱式開采倉房區和巷道區域圍巖塑性區的發育深度；根據復采區域圍巖變形機理，設計復采區域掘進巷道采用低擾動掘進+高剛度支護的支護方案，根據巷道掘進過空巷區域圍巖變形觀測結果可知，現有掘進過空巷方案能夠保障圍巖穩定。