堅(jiān)硬頂板條件下迎采對(duì)掘巷道圍巖控制研究

＊王 強(qiáng)

（山西凌志達(dá)煤業(yè)有限公司 山西 046606）

1.工程概況

山西某礦現(xiàn)主采15#號(hào)煤層，為保證礦井正常接替，15208回采工作面與15210掘進(jìn)工作面出現(xiàn)對(duì)采對(duì)掘布置。受工作面頂板結(jié)構(gòu)影響，15208采空區(qū)堅(jiān)硬頂板隨工作面推進(jìn)形成大面積的懸頂，懸頂?shù)纳细草d荷通過煤層頂板傳遞至區(qū)段煤柱和15210回風(fēng)巷，使得區(qū)段煤柱和15210回風(fēng)巷處于高應(yīng)力狀態(tài)。導(dǎo)致巷道出現(xiàn)更為嚴(yán)重的圍巖變形，增加了巷道的支護(hù)難度[1-2]。

15208工作面煤厚平均4.28m，煤層傾角3°～6°。蓋山厚度195～300m，平均埋藏深度260.5m。煤層頂板依次為泥巖平均0.7m、14#煤平均1.1m、堅(jiān)硬K2灰?guī)r5.84m。煤層直接底為1.0m的泥巖，老底為4.10m的灰黑色泥巖。15208工作面與15210工作面之間留設(shè)20m煤柱，布置如圖1所示。

2.工作面應(yīng)力演化規(guī)律

(1)工作面采動(dòng)下圍巖應(yīng)力演化規(guī)律

15208工作面上覆5.84m的K2灰?guī)r，巖性堅(jiān)硬，不易完全垮落，未垮落的頂板形成懸臂梁結(jié)構(gòu)[3]。懸臂梁未發(fā)生破斷時(shí)，其原先的覆巖由于懸頂結(jié)構(gòu)下方煤層開采形成采空區(qū)從而喪失穩(wěn)定，此時(shí)為達(dá)到新的應(yīng)力平衡，懸頂覆巖壓力會(huì)向?qū)嶓w煤內(nèi)部進(jìn)行轉(zhuǎn)移。由于工作面的向前延伸，當(dāng)懸臂梁所傳遞支承壓力的峰值KγH開始大于煤柱自身抗壓強(qiáng)度σ時(shí)，在靠近采空區(qū)處煤壁開始屈服破裂；支承壓力的峰值出現(xiàn)在煤柱彈性區(qū)內(nèi)，而隨著邊緣煤壁破裂形成塑性區(qū)，支承壓力的峰值位置由原區(qū)段煤柱邊緣煤壁向煤柱內(nèi)部發(fā)生轉(zhuǎn)移[4-6]。

運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬分析隨工作面采動(dòng)下區(qū)段煤柱和15210回風(fēng)巷圍巖應(yīng)力的動(dòng)態(tài)演化特征，分別計(jì)算15210回風(fēng)巷超前工作面、與工作面相遇和工作面遠(yuǎn)離停掘回風(fēng)巷的垂直應(yīng)力分布特征，如圖2所示。

工作面與回風(fēng)巷掘進(jìn)頭從開始相遇到遠(yuǎn)離過程，煤柱垂直應(yīng)力峰值呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。垂直應(yīng)力峰值變化在4.92MPa到17.14MPa之間。在工作面和掘進(jìn)頭逐漸對(duì)向推進(jìn)至相遇的過程中，采空區(qū)懸臂梁結(jié)構(gòu)下的覆巖壓力會(huì)向煤柱內(nèi)部進(jìn)行轉(zhuǎn)移，在巷道停掘工作面遠(yuǎn)離回風(fēng)巷過程中，煤柱及巷道應(yīng)力逐漸恢復(fù)穩(wěn)定。

(2)堅(jiān)硬頂板破斷前后臨空巷道應(yīng)力分布

頂板破碎后，懸臂梁結(jié)構(gòu)被打破，懸頂覆巖隨破碎頂板垮落至采空區(qū)，煤柱的支承壓力對(duì)比懸臂梁結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)生明顯降低。煤柱的破裂區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)范圍由于所受應(yīng)力的降低出現(xiàn)一定程度的縮小。臨空巷道的圍巖應(yīng)力條件發(fā)生改變，圖3為懸臂梁破斷前后煤柱支承壓力變化曲線圖。

3.迎回采面巷道掘進(jìn)時(shí)機(jī)確定

(1)迎回采面巷道時(shí)空效應(yīng)

15210回風(fēng)順槽掘進(jìn)過程中受15208工作面回采引起的采動(dòng)影響、工作面后方采空區(qū)堅(jiān)硬灰?guī)r頂板不能及時(shí)垮落引起的懸頂應(yīng)力影響及自身掘進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力擾動(dòng)影響，按照采掘應(yīng)力時(shí)空關(guān)系可分為以下3個(gè)區(qū)域：

①15210工作面自掘擾動(dòng)區(qū)，此區(qū)域僅受巷道掘進(jìn)帶來的應(yīng)力擾動(dòng)影響，圍巖變形量小，巷道易于控制。

②15210工作面與15208工作面采掘應(yīng)力疊加區(qū)。工作面回采和掘進(jìn)產(chǎn)生的應(yīng)力擾動(dòng)會(huì)相互疊加，進(jìn)而加劇巷道的變形。為保證巷道的穩(wěn)定，在巷道一次支護(hù)的基礎(chǔ)上需適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)支護(hù)。

③15210工作面臨空掘巷應(yīng)力影響區(qū)。隨著15210工作面掘進(jìn)至15208工作面采空區(qū)位置時(shí)，隨著15208工作面的逐步推進(jìn)，采空區(qū)上覆巖層在自重及地應(yīng)力的作用下彎矩逐漸增大，引起頂板回轉(zhuǎn)下沉，基本頂開始逐漸彎曲達(dá)到一定強(qiáng)度后便會(huì)折斷，非折斷端接觸矸石逐步壓實(shí)后逐漸進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)迎回采面掘巷時(shí)機(jī)確定

15210工作面的采掘工程可分為2個(gè)階段實(shí)施：如圖4（a）所示J1-J2段，在15208工作面回采的同時(shí)掘進(jìn)15210回風(fēng)順槽，綜合考慮該礦地質(zhì)條件，當(dāng)距離15208工作面40m時(shí)，懸頂結(jié)構(gòu)對(duì)15210回風(fēng)順槽的動(dòng)壓影響開始逐漸顯現(xiàn)，此時(shí)應(yīng)該停止掘進(jìn)；如圖4（b）所示J2-J3段，15208工作面推進(jìn)速度為3m/d，在15208工作面推進(jìn)距15210回風(fēng)順槽掘進(jìn)迎頭250m，推進(jìn)時(shí)間在80～90d，此時(shí)15208工作面采空區(qū)上覆巖層活動(dòng)減弱，覆巖趨于穩(wěn)定，為復(fù)掘的最佳時(shí)機(jī)。

4.巷道圍巖控制技術(shù)

(1)爆破切頂參數(shù)

根據(jù)工作面地質(zhì)條件分析，爆破孔深度必須超過K2灰?guī)r，炮孔垂深應(yīng)超過10m。炮孔與煤壁幫距為300mm，采用正向裝藥，在各節(jié)聚能管安裝藥卷五條，每孔安裝五節(jié)聚能管，炮孔間距4m。

(2)巷道圍巖控制方案

通過迎采對(duì)掘動(dòng)壓巷道變形特征分析，可以得出巷道不同部分所受采掘應(yīng)力擾動(dòng)不同，造成了對(duì)掘巷道各個(gè)階段差異化的應(yīng)力環(huán)境，從而影響巷道支護(hù)策略和支護(hù)強(qiáng)度，針對(duì)15210回風(fēng)巷，僅有部分巷道區(qū)域在15208回采動(dòng)壓影響范圍內(nèi)，需要提高支護(hù)強(qiáng)度；超過動(dòng)壓影響范圍，巷道圍巖控制相對(duì)于動(dòng)壓影響區(qū)難度大大降低，若仍采用動(dòng)壓影響區(qū)的支護(hù)方法，不僅缺乏針對(duì)性同時(shí)造成支護(hù)材料的浪費(fèi)。

因此，針對(duì)迎采巷道差異化的應(yīng)力環(huán)境和時(shí)空關(guān)系采取相適應(yīng)的支護(hù)手段和參數(shù)來保持巷道圍巖的穩(wěn)定，即對(duì)巷道采取分段不等強(qiáng)控制方案。

①普通段支護(hù)方案

15210回風(fēng)順槽設(shè)計(jì)尺寸5.6m×4.0m，斷面22.4m2，沿15#煤頂板掘進(jìn)。普通段采用錨桿（索）、鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，頂板錨桿間距900mm，排距1200mm，每排6根錨桿，幫部錨桿間距800mm，排距為1200mm，每幫布置5根。頂板錨索每排一根，沿巷道中線位置布置，排距2400mm；幫部錨索每排2根，間排距2400mm×2400mm。

②動(dòng)壓影響段支護(hù)方案

為確定工作面采動(dòng)對(duì)巷道的動(dòng)壓影響范圍，在15210回風(fēng)巷停掘后對(duì)煤柱側(cè)圍巖應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，如圖6所示。對(duì)于工作面前端的動(dòng)壓影響區(qū)域，根據(jù)工作面的采高及埋深等參數(shù)得到的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值為40m，對(duì)于工作面后端的動(dòng)壓影響區(qū)域，在110m后開始趨于穩(wěn)定。

支護(hù)方案：經(jīng)過對(duì)巷道承載的動(dòng)壓特性進(jìn)行研究，采用單體支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)能夠有效控制巷道的頂?shù)装遄冃危沟脙蓭偷氖芰Νh(huán)境得到一定程度的改善。是針對(duì)該堅(jiān)硬頂板圍巖控制的有效支護(hù)方法。

5.礦壓監(jiān)測分析

15210回風(fēng)巷掘進(jìn)后，為掌握巷道變形規(guī)律，為掌握巷道變形特征，對(duì)15210回風(fēng)巷進(jìn)行表面位移監(jiān)測，圖8為典型測點(diǎn)巷道表面位移變形曲線。

觀測表明，15210掘進(jìn)工作面與15208回采工作面迎采對(duì)掘期間，掘進(jìn)巷道在超前支撐壓力影響40～110m范圍內(nèi)巷道礦壓顯現(xiàn)明顯。迎采對(duì)掘階段巷道頂?shù)装逡平繛?54mm，兩幫移近量為461mm。在回采工作面回采結(jié)束前沿煤柱側(cè)完成預(yù)裂切頂并對(duì)掘進(jìn)工作面動(dòng)壓影響區(qū)范圍內(nèi)采取補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后，可以有效的控制巷道圍巖變形，保證巷道的穩(wěn)定性。

6.結(jié)論

（1）對(duì)工作面采動(dòng)下圍巖應(yīng)力演化規(guī)律進(jìn)行分析，隨著工作面的推進(jìn)，煤壁側(cè)支承壓力峰值位置表現(xiàn)為由煤壁邊緣塑性區(qū)逐漸過渡至煤壁中部彈性區(qū)；當(dāng)工作面推過一定的距離后，支承壓力峰值位置距回采巷道煤壁的距離基本上穩(wěn)定，隨工作面推進(jìn)支承壓力峰值位置基本不再增加。

（2）回采工作面上方賦存一定厚度的堅(jiān)硬頂板時(shí)，易形懸臂梁結(jié)構(gòu)，造成煤壁側(cè)應(yīng)力集中現(xiàn)象，不利于煤壁側(cè)的巷道掘進(jìn)，因此需要對(duì)回采巷道煤壁側(cè)頂板進(jìn)行預(yù)裂切頂，消除煤壁上方的懸頂效應(yīng)。

（3）針對(duì)迎采對(duì)掘巷道應(yīng)力分布特征回采面采取預(yù)裂切頂措施；在距回采面+40m～-250m范圍內(nèi)停止掘進(jìn)，并在+40m～-110m范圍內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)。通過現(xiàn)場礦壓觀測結(jié)果顯示，迎采對(duì)掘階段巷道頂?shù)装逡平繛?54mm，兩幫移近量為461mm。巷道整體圍巖變形可以得到有效控制，巷道穩(wěn)定性大大提高。