溫莊煤業15106工作面過平行腰巷圍巖控制技術研究

路紅日

(潞安化工集團 溫莊煤業，山西 長治 046300)

1 工程概況

溫莊煤業15106工作面為15號煤回采工作面，該煤層位于太原組一段中上部，根據工作面附近ZK4-1煤層結構2.55(0.25)2.10，煤層厚度平均為4.65 m，工作面推進方向距開切眼約400 m處存在1條平行腰巷。15106腰巷為矩形，巷道寬為4.7 m，高為3.6 m.15106工作面與腰巷平行(腰巷與15106運輸巷、回風巷垂直)，巷道全長214.6 m，其在15106工作面位置見圖1(a).掘腰巷期間采用的是錨索+錨桿+鋼筋網聯合支護，且在特殊地段采用錨索補強支護。

1) 頂板支護：選用MSGLW-500/22×2 400 mm螺紋鋼錨桿，托盤選用150 mm×150 mm×10 mm碟形鋼托盤，錨固劑采用1支CK2360型樹脂錨固劑，每根錨桿使用1卷；間排距0.85 m×1.0 mm.錨索選用D18.9 mm×8 300 mm鋼絞線，每根錨索使用1卷CK2360錨固劑和1卷K2360錨固劑，錨索托盤為300 mm×300 mm的碟形鋼托盤，托盤厚度為14 mm，錨索間排距為2.0 m×2.0 m.

2) 兩幫錨桿規格MSGLW-500/22×2 000 mm螺紋鋼錨桿，間排距1.0 m.支護斷面如圖1(b)所示。

圖1 腰巷位置及原支護

工作面回采期間鄰近及通過腰巷區域期間，液壓支架載荷增大，易發生壓架事故，工作面煤壁片幫、頂板冒頂風險增大，腰巷易發生嚴重變形失穩破壞問題。綜合運用數值模擬、工程類比與現場工業性試驗的方法，研究溫莊煤礦15106工作面過腰巷技術方案，分析了工作面推進距腰巷不同位置時，15106腰巷位移分布特征，設計合理有效的過腰巷加固技術和方案，確保工作面安全快速地通過腰巷區域，保障安全、高效開采。

2 15106工作面回采對腰巷的影響

為研究綜采工作面過腰巷煤壁片幫和頂板垮落等圍巖變形特征及主要影響因素，根據溫莊煤礦15106工作面過腰巷的現場試驗條件，采用離散元數值分析軟件 UDEC，建立二維平面數值計算模型。數值模型矩形邊界尺寸長、高分別為200 m、50 m，模擬方案為綜采工作面推進至距離腰巷 25 m、20 m、15 m、13 m 和 10 m 時的腰巷圍巖表面變形和塑性區的變化規律，數值模擬結果如圖 2 所示。

圖2 工作面推進過程中煤柱及腰巷圍巖塑性區破壞示意

從圖 2可以看出，隨著工作面推進，腰巷圍巖塑性區變化規律如下：

1) 工作面在距腰巷 25～20 m 時，煤壁內塑性破壞深度范圍為3～7 m，塑性破壞范圍較小，可認為此時腰巷還未受到明顯的回采擾動影響；而當工作面推進至距腰巷15 m時，工作面煤壁前方塑性破壞范圍無明顯變化，腰巷頂板和兩幫塑性破壞范圍均開始增大，這表明在工作面推進至距腰巷15 m范圍內，區域圍巖受到明顯采動影響。

2) 在工作面與腰巷距離由15 m減小為10 m期間，腰巷圍巖塑性破壞深度和范圍均增大，其破壞高度依次為 3.5 m、4.5 m 和5 m，這表明從距腰巷15 m推進至10 m的過程中，采動影響對頂板破壞范圍影響逐漸增大，而推進距腰巷10 m 時，煤柱出現較為明顯的破壞。

3) 隨著工作面與腰巷間煤柱距離的減小，煤柱塑性破壞區范圍逐漸增加，煤柱寬度從15 m減小為13 m 時，腰巷煤幫塑性破壞深度由1.5 m增至2.8 m，采場煤壁影響塑性破壞區和腰巷塑性破壞區臨近匯合，僅剩下煤體中部小部分彈性核區；工作面與腰巷間煤柱寬度減小為10 m時，煤柱基本處于塑性破壞狀態。

由此說明，工作面過空巷期間，隨著與空巷距離的減小，工作面發生壓架、端面冒頂的概率顯著增大，影響工作面的安全高效生產，空巷圍巖也將失穩垮落，導致工作面無法通過空巷區域，因此必須采取可靠的加固措施，既能防止空巷圍巖失穩又能保證工作面載荷不會過大。

3 木垛支護下腰巷圍巖穩定性模擬研究

參考類似地質條件下綜采工作面過空巷的相關案例，設計采用木垛支護方式對15106腰巷進行加固。木垛使用150 mm×180 mm×1 500 mm道木進行打設，木垛規格3 m×3 m×3.6 m，木垛間距3 m.在腰巷口20 m范圍內，木垛打設為實體木垛。實體木垛每層使用150 mm×180 mm×1 500 mm道木40根，共20層。每個實體木垛使用150 mm×180 mm×1 500 mm的道木800根，共需打設11個實體木垛。腰巷內打設為井字木垛：井字木垛每層使用150 mm×180 mm×1 500 mm的道木32根，共20層，共需打設井字木垛26個。木垛布置詳情如圖3所示。

圖3 木垛支護示意(mm)

為驗證腰巷采用木垛加固的效果，以15106工作面生產地質條件為依據，采用FLAC軟件建立三維模型，模型中腰巷采用錨網索+木垛聯合支護，模型計算時采用應變軟化模型，根據數值模擬結果得到腰巷頂板下沉量隨著與回采面距離的變化曲線，如圖4所示。可以看出，工作面距腰巷間煤柱小于10 m期間，腰巷頂板的下沉速度明顯加快。這是由于煤柱的受力加大，導致頂板持續下沉，下沉增幅達到495 mm，巷道整體變形量在可控范圍內。由此可知，采用木垛加固措施可實現工作面順利通過腰巷。

圖4 腰巷頂板下沉量模擬曲線圖

4 應用效果綜合評價

4.1 液壓支架載荷變化

15106回采工作面中間為ZY7000/25/50型液壓支架，端頭(尾)為ZYG8000/25/50型液壓支架，采用YHY-604液壓支架測力儀監測支架受力情況，工作面中部及端頭、端尾支架額定工作阻力均為50 kN，過空巷期間，工作面中部51～56號支架載荷相對較高，56號支架最大載荷為50 MPa，其余所有支架載荷均小于50 MPa，由此說明，工作面過空巷期間，支架載荷未過度增大，木垛加固效果較好。

4.2 工作面過腰巷經驗總結

1) 參照成功過腰巷案例對支護強度進行安全、經濟對比分析，采用木垛加錨索聯合支護，不僅保證了腰巷的支護強度，同時通過期間也最大化對道木進行了回收。支護需用道木18 918根，回收13 010根，回收率達到68.8%.每根道木101.88元，回收的道木價值132.5萬元，支護成本60.2萬元。

高水材料充填方案：充填高水材料的價格：1 850元/t，1 t可充填1.8 m3，充填成本為357.3萬元。

使用道木節約成本357.3-60.2=297.1萬元。

2) 工作面過腰巷前對設備進行全面檢修，保證設備完好性，同時對支架安全閥進行標校，提高安全閥的可靠性。

3) 過腰巷時，支架頂梁接頂要嚴密，采取機尾加刀的方法推進，推過腰巷后，工作面調整為與上下順槽垂直，恢復正常生產。

4) 隨著礦井進入深部區開采，地質條件更復雜，巷道受二次、三次礦壓采動影響，還需進一步加強對礦壓規律的分析總結，購置安裝先進的礦壓監測系統及頂板在線綜合監測系統，提升礦壓管理的信息化水平。

5 結 語

溫莊煤礦15106工作面在工作面推進過程中可能出現腰巷大變形、頂板失穩現象，對設備人員造成潛在的威脅，不利于礦區的長遠可持續發展。采用木垛進行腰巷補強支護，可避免腰巷過度失穩變形，保證工作面順利通過空巷。工程實踐過空巷階段，液壓支架載荷基本小于其額定工作阻力，工作面未出現壓架、冒頂、片幫等事故，空巷維護效果良好，實現了工作面安全高效通過腰巷區域，取得了良好的經濟、安全效益。