復雜地質條件綜放工作面沿空巷道位置優選及支護研究

張俊愷

（華陽新材料科技集團二礦，山西 陽泉 045000）

1 概況

華陽集團智能礦山事業部二礦（陽煤二礦）21306 綜放工作面位于470 m 水平8 號煤十三采區，工作面埋深364～553 m，傾斜長214 m。工作面北部為礦界，西部為已回采完畢的21304 工作面，東部為規劃的21308 工作面，南部為十三采區準備巷。8 號煤厚度5.6～7.1 m，平均6.35 m。基本頂為砂質泥巖，厚度為6.11 m；直接頂為泥巖，厚度為3.9 m；直接底為砂質泥巖，厚度為0.3 m；基本底為細粒砂巖，厚度為7.7 m。21306 工作面預測斷層F1～F5斷距均大于煤層厚度的二分之一，對回采有一定影響；CX1 陷落柱位于進風巷與回風巷之間，距切巷約1600 m，長軸長約48 m，短軸長約40 m，工作面內發育面積約1512 m2，對回采有影響；預測地質異常體A1～A10，不排除煤層夾矸增厚的可能，周圍瓦斯含量大，對回采有一定影響；地應力較大，工作面平均埋深約498 m，水平應力較大，煤層厚度大，采動影響較劇烈。

鄰近的21304 工作面與采空區間區段煤柱為30 m，但是鄰近采空區的巷道仍變形破壞嚴重。為保障21306 運輸順槽的圍巖穩定性，進行了相關研究。

2 護巷煤柱寬度優化研究

鄰近上區段工作面掘進的回采巷道，掘進期間受鄰近工作面回采引起的側向支承壓力[1]影響，在本工作面回采期間又將受到超前支承壓力的影響，區段煤柱寬度對于巷道圍巖穩定性具有重要影響。為確定21306 運輸順槽最為合理區段煤柱，結合礦井現場情況，根據工作面開采范圍內J14 鉆孔柱狀圖，通過FLAC3D軟件建立模擬模型[2]。模型共14個地層，各巖層的物理力學參數詳見表1，寬度為500 m，高度為130 m，模型頂面埋深380 m，上部施加9.5 MPa 載荷，模型共劃分為56 380 個單元。21304 工作面開挖厚度為6.4 m，在采空區右側實體煤頂板布置一條測線，數值模擬方案及邊界條件如圖1（a），得到采空區覆巖穩定后實體煤頂板內側向支承壓力變化規律如圖1（b）。

表1 21306 工作面各地層物理力學參數

圖1 模擬方案及結果

根據圖1（b）可知，實體煤頂板巖層內垂直應力隨著與采空區側向邊緣距離的增大呈現出“增大-減小-穩定”的趨勢。在采空區邊緣附近淺部區域存在一定寬度的應力降低區，以原巖應力為評判標準，則確定應力降低區深度范圍為0～8 m，應力峰值出現在距采空區邊緣14 m 處。在留設一定寬度區段煤柱進行下區段回采巷道掘進時，若想杜絕鄰近采空區側向支承壓力的影響，區段煤柱寬度需大于90 m，顯然非常不經濟合理，因此可考慮將沿空巷道布置在應力降低區內。考慮到華陽二礦屬于高瓦斯礦井，區段煤柱需要起到隔絕上區段采空區的作用，避免采空區瓦斯、一氧化碳等有害氣體滲透至回采巷道，煤柱寬度不易過小，同時需盡量減小側向支承壓力的影響，因此區段煤柱設計為6 m 最為合適。

3 復雜條件下沿空巷道支護設計

3.1 掘巷支護

21306 運輸順槽埋深較大、斷面大、動壓影響明顯、構造復雜，為保障巷道圍巖的穩定，通過工程類比和理論分析初步確定掘巷階段的支護方案，在工程應用階段進行巷道位移變形監測，然后進一步對支護方案進行優化。

通過工程類比法提出采用以“高錨固力-高預緊力-強護表”為支護理念的錨網索聯合支護[3-4]，通過理論計算確定頂板錨桿長度2400 mm、直徑22 mm、間排距920 mm×2000 mm，最外側錨桿與水平方向呈75°角布置，其余錨桿呈垂直方向布置，配合W 型鋼帶及雙層菱形金屬網護表；錨索索體為Φ21.8-1×19-6300mm 鋼絞線，布置間排距為1100 mm×2000 mm，頂板兩腮部位布置角錨索，排距2000 mm；兩幫錨桿間排距1000 mm，錨索規格Φ17.8 mm×4300 mm ，配套采用 450 mm×280 mm×4 mm W 型鋼護板。23106 運輸順槽沿空掘巷段具體布置詳情及支護如圖2。實體煤段支護方式與沿空段基本相同，僅是兩幫均采用錨桿支護，未設置錨索。

圖2 12306 運輸順槽支護詳情

3.2 沿空掘巷噴漿封閉技術

為保障區段小煤柱隔絕采空區與巷道間空氣流通的效果，滯后21304 工作面50 m 對沿空巷道煤柱幫及煤柱側頂板進行噴漿封閉施工。漿液采用C25 細石混凝土，頂板噴漿寬度為1.5 m，小煤柱幫全部噴漿覆蓋，噴漿封閉厚度不小于100 mm。

3.3 過斷層巷道注漿加固技術

巷道掘進期間揭露斷層、陷落柱及地質異常區時，為提高小煤柱的自身穩定性和承載能力，設計對小煤柱進行注漿加固。淺孔注漿采用高水速凝材料，深孔注漿采用水泥漿液，淺孔深度2.0 m，深孔深度4.0 m，淺孔注漿壓力0.5～1.5 MPa，深孔注漿壓力1.5～2.5 MPa，先低壓后高壓，注漿孔均沿水平方向垂直煤壁布置，孔徑42 mm。注漿孔布置詳細情況如圖3。

圖3 小煤柱幫注漿鉆孔布置示意圖（mm）

4 支護效果監測

21306 運輸順槽布置多個測點監測巷道的變形情況。正常沿空掘巷階段，巷道圍巖穩定后，兩幫相對移近量及頂底板移近量基本保持在70 mm 以下，表面變形微小。結合21306 工作面回采期間監測數據，整理給出實體煤段測點A（距切眼40 m）、沿空掘巷段測點B（距切眼150 m）巷道表面變形量變化規律如圖4。

圖4 巷道移近量變化曲線

可以看出，兩個測站處的巷道圍巖變形主要集中在與工作面距離小于70 m 的采動影響階段，至巷道服務末期，實體煤段兩幫移近量124 mm，頂板移近量102 mm，小煤柱沿空掘巷段兩幫移近量356 mm，頂底板移近量131 mm，圍巖及煤柱穩定性良好，保證了工作面正常掘進和回采。

5 結語

通過收集整理分析華陽二礦21306 工作面具有較復雜的地質條件，數值模擬確定了鄰近采空區影響下煤層頂板內側向支承壓力峰值為21 MPa，應力峰值距煤壁14 m，確定最佳區段煤柱寬度為6 m。綜合應用工程類比法、理論計算法設計錨網索聯合支護參數，設計斷層、陷落柱等地質異常區注漿加固方式和參數。通過圍巖位移監測得到，表面變形量在合理可控范圍內，巷道圍巖及煤柱穩定性良好。