文家坡煤礦巷道圍巖變形及控制技術研究

李善鵬

(煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100000)

0 引言

厚煤層的合理開發對我國煤炭行業的發展有著重要的影響。一次采全高是開采厚煤層的重要技術方法，在回采過程中研究圍巖礦壓顯現規律，為后續相鄰工作面或類似地質條件下綜采工作面的初采、正常回采、末采的礦壓管理、支架配套選型、巷道支護管理等提供技術參考依據，以便在后續工作面支護中及時調整，確保生產安全具有重要意義[1-3]。基于此，根據文家坡煤礦4102工作面的地質條件和巖體力學性質，結合現有的技術條件，采用理論研究、理論計算、數值模擬及現場實測方法，對文家坡礦4102工作面的礦壓顯現規律、現有支護存在問題、巷道底鼓以及修巷方案等問題進行研究，最終提出相應的技術方案，并在現場對優化方案進行了實測。

1 工作面概況

文家坡煤礦4102工作面位于41盤區東側，為41盤區第二個回采工作面。工作面西邊為4103(準備工作面)，東邊為4101(已回采結束)，北邊為紅涯河保護煤柱，南邊為41盤區開拓大巷。主采4#煤層，煤層結構較簡單，煤層中含夾矸0～2層，夾矸厚度為0～0.7 m，夾矸巖性為泥巖。煤層為條帶狀結構，層狀構造，煤層厚度(含夾矸)在3.76～4.32 m，平均厚度為3.93 m。直接頂巖性為泥巖泥巖、細砂巖、粗砂巖，厚度為1.99～4.09 m，平均2.09 m；老頂巖性為細粒砂巖、中砂巖或粗砂巖，厚度為1.95～13.3 m，平均5.45 m；直接底巖性為泥巖、細砂巖，厚度為2.02～5.32 m，平均3.67 m；老底巖性為泥巖、細砂巖，厚度為3.18～6.4 m，平均4.22 m。

2 煤巖物理參數測定

2.1 物理參數測定方案

煤(巖)力學參數是理論分析計算的主要依據，試驗測試內容主要包括單軸抗壓強度、單軸抗拉強度、抗剪強度、內聚力和內摩擦角等。在文家坡礦4102回風順槽1 050 m處選取5個鉆孔進行取樣。利用133 mm取芯套筒所取巖樣，取樣巖石質量指標RQD分別為43.9%、48.2%、44.9%、45.9%和44.5%，取樣質量較差。結合礦井地質勘探資料，綜合考慮從中所取的巖樣按巖性大致可劃分為泥巖、砂巖、粉砂巖和煤4種類型在進行巖石力學性能測試時，按這4種巖性進行實驗測定，后期數據整理也按照這4種巖性進行分類匯總。

2.2 物理參數測定成果

實驗采用SANS實驗機，通過測試和數據處理，文家坡礦4102工作面巷道圍巖的單軸抗壓強度、單軸抗拉強和抗剪強度測定結果如表1所示。

根據測試結果可知，4102工作面圍巖物理強度低，巷道圍巖的承壓能力較弱，容易出現巷道圍巖變形的情況，在工作面回采過程中應根據制定科學合理，適合該工作面實際情況的支護方案。

表1 4102工作面圍巖物理參數

3 巷道支護方案優化

4102工作面順槽支護采用φ22×2 500 mm BHRB335高強螺紋鋼錨桿，間排距為750 mm×750 mm，每排20根；頂板預緊力矩不小于240 N·m，幫部預緊力矩不小于200 N·m，錨固力不小于110 kN；頂部錨桿與BHW-280-3.0-5.4型W鋼帶(長度5.4 m，寬度280 mm，厚度3 mm)配合使用，W鋼帶沿巷道斷面布置；幫部與規格為400 mm×250 mm×50 mm的木托板配合使用；頂角錨桿扎角20°，底角錨桿扎角10°；錨索采用1×19芯結構、φ21.6×8 800 mm鋼鉸線，間排距1 200 mm×1 500 mm，每排5根；錨索托盤采用300 mm×300 mm×20 mm碟形托盤；預緊力210 kN，錨固力不小于300 kN；錨索與BHW-280-5.0-5.0型W鋼帶(長度5.0 m，寬度280 mm，厚度5 mm)配合使用，W鋼帶沿巷道斷面布置；頂部采用Φ6 mm的Q235鋼筋焊制的金屬網護表，網格100 mm×100 mm，網幅1 700 mm×1 000 mm；幫部采用塑鋼網護表，網幅4 000 mm×1 000 mm；網片壓茬連接(包括幫頂處，即巷道頂角或肩窩)，連接點要均勻布置，搭接長度不小于100 mm，相鄰兩塊網之間要用16#鐵絲連接扎牢；順槽支護斷面如圖1所示。

圖1 回風順槽支護斷面圖

根據巷道支護及維護實際情況，對圍巖變形嚴重和已損巷道進行二次補強支護，補強支護可采用縮小錨桿(索)間排距、錨索托梁(錨索與16#槽鋼配合使用，槽鋼沿巷道斷面布置)和架棚等方式。

4 礦壓監測

在4102工作面回風順槽距切眼200 m處布置圍巖變形監測站，此后，每隔50～100 m布置1個測站。

4.1 工作面圍巖變形監測結果

根據監測方案(見圖3)，在4102回風順槽巷道內，進行巷道頂板及兩幫位移的監測，共設置19組測點，數據的監測精度為mm。測得數據后，根據結果繪制巷道頂板及兩幫變形曲線圖，如圖2所示。

圖2 4102工作面巷道圍巖變形相關曲線圖

由圖2可知，觀測27 d，測站一處頂底板最大累積移近量為248 mm，兩幫最大累積移近量為251 mm；觀測9 d之內，巷道圍巖變形基本趨于穩定；頂底板最大移近速率為29.6 mm/d，兩幫最大移近速率31 mm/d，均出現在測站布設后第27 d，后期圍巖移近速率較大。測站一處圍巖移近量整體不大，屬回采期間圍巖應力重新分布、變形正常釋放過程。

4.2 工作面切眼支架阻力監測

為分析工作面切眼內不同部位頂板的來壓規律、顯現程度、支架的承載特性，進而掌握整個工作面的壓力分布情況，在整個工作面液壓支架安裝在線監測系統，實時收集和讀取支架受力大小。通過分析液壓支架工作阻力計算得出4102工作面來壓步距(見圖3)。工作面上部、中部和下部平均來壓步距分別為24.4 m、24.82 m和23.64 m，工作面平均來壓步距為24.29 m。

圖3 4102工作面來壓步距圖

4.3 礦壓規律分析

4102工作面的頂板變形可以分為4個過程：①距離工作面大于100 m時，巷道頂板及兩幫變形量平均變形量不超過1mm/d，比較穩定。②距離工作面60～100m時，巷道頂板及兩幫變形量開始變大，最大10～12 mm/d，考慮周期來壓影響，屬于正常情況。③距離工作面60～30 m時，出現超前應力影響區，巷道頂板及兩幫變形量出現較大變化，但圍巖移近速率不超過15 mm/d。④距離工作面小于30 m時，出現超前應力影響劇烈區，巷道頂板及兩幫變形量變化出現較為劇烈的變化，圍巖移近速率不超過30 mm/d。頂底及兩幫累積移近均小于300 mm，基本滿足回采要求。

5 結語

本文經過理論研究、數值測定、支護優化、現場監測，對文家坡煤礦4102工作面的巷道圍巖變形嚴重、支護難度大的問題進行解決。首先確定工作面頂底板的巖性情況，采用科學合理的技術手段對圍巖進行了取芯并測定其物理參數，再根據結果制定工作面巷道支護優化方案，方案實施后進行現場礦壓監測并繪制相關曲線圖。實際監測結果證明：該支護方案能夠有效減少工作面回采期間的圍巖變形，為礦井在4盤區后續工作面的施工提供了可靠的理論基礎及數據支持。