頂分層破壞區(qū)下回采巷道圍巖控制技術(shù)研究與應(yīng)用

吳 濤

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)通合煤業(yè)有限公司，山西 鄉(xiāng)寧 042100）

1 工程概況

通合煤業(yè)202 工作面位于一采區(qū)，工作面南側(cè)為201 采空區(qū)，其余鄰近區(qū)域均為實(shí)體煤。202 工作面走向長度1479 m，傾斜長度為128 m。工作面開采2#煤層下分層，煤層上分層厚度為2 m，上分層區(qū)域基本全部采空，局部區(qū)域留有護(hù)巷煤柱；2#煤層下分層均厚為2.3 m，平均傾角為15°。2#煤層頂?shù)装鍘r層特征如圖1。

圖1 2#煤層頂?shù)装鍘r層柱狀圖

202 工作面采用綜合機(jī)械化放頂煤開采，工作面采高2.5 m，放煤2.8 m，循環(huán)進(jìn)度0.6 m。由于上分層大部分已采空，中下分層回采遇煤柱時(shí)，壓力增大，為保障巷道圍巖穩(wěn)定，特進(jìn)行研究分析。

2 巷道特征及支護(hù)方式分析

2.1 巷道圍巖特點(diǎn)

根據(jù)202 綜放工作面回采巷道的賦存特征，結(jié)合頂分層的破壞特征，總結(jié)巷道布置特征如下：

（1）巷道沿2#煤層底板布置，頂板為已受采動(dòng)影響的松軟2#煤中分層，其上為上分層無序破壞后的上分層垮落頂板或上分層遺留的煤柱，壓力分布不均衡。

（2）巷道頂?shù)装瀹a(chǎn)生強(qiáng)拉應(yīng)力區(qū)，易造成巷道頂板冒頂，底板底鼓，因此對(duì)巷道支護(hù)強(qiáng)度和維護(hù)有較高的要求。

（3）巷道使用期間，存在底板治理困難的特征，由于巷道掘進(jìn)沿松軟煤層底板掘進(jìn)，巷道頂板及兩幫承載能力均較低，會(huì)導(dǎo)致力會(huì)大范圍傳遞至底板區(qū)域，進(jìn)而出現(xiàn)強(qiáng)烈的底鼓破壞。

（4）2#煤層下分層厚約2.3 m，下分層與中分層之間有一層厚度10～60 cm的泥巖夾矸，隨掘隨垮，因此掘進(jìn)斷面不易過高。

2.2 支護(hù)方式分析

在巷道斷面選擇時(shí)，為充分保障回采巷道圍巖的穩(wěn)定，選擇巷道斷面為梯形[1-3]；巷道高度在設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足機(jī)電設(shè)備的同時(shí)還不能過高導(dǎo)致出現(xiàn)上分層漏頂現(xiàn)象。綜合上述分析取巷道凈高為2.6 m。巷道寬度確定時(shí)，考慮順槽巷道兩幫受水平壓力影響及其使用要求，確定巷道下口寬為4.5 m。

受2#煤上分層破碎頂板的影響，采用錨桿錨索等主動(dòng)支護(hù)已不現(xiàn)實(shí)，結(jié)合上述巷道特征確定巷道采用工字鋼棚支護(hù)。對(duì)于梯形巷道而言，其所選用的剛性金屬支架主要為礦用工字鋼，根據(jù)工程類比的分析方法[4-7]，確定選擇12號(hào)礦用工字鋼進(jìn)行支護(hù)。

3 支護(hù)方案及效果

3.1 支護(hù)方案

根據(jù)巷道圍巖賦存情況及支護(hù)方式的初步分析結(jié)果，確定202 綜放工作面回采巷道沿2#煤層底板掘進(jìn)，巷道斷面為梯形，斷面尺寸頂寬3700 mm、底寬4500 mm、巷高2600 mm。支護(hù)采用架棚支護(hù)，具體支護(hù)方案如下：

（1）梯形棚。梯形棚采用12 號(hào)工字鋼，頂梁和棚腿長分別為4000 mm、2650 mm，棚距700 mm。（2）金屬網(wǎng)。采用12#鐵絲編制的金屬網(wǎng)，規(guī)格為長×寬=8 m×1.2 m。（3）背板。采用木背板，規(guī)格為長×寬×厚=1000 mm×200 mm×30 mm的木背板。（4）撐桿。采用規(guī)格為長×厚=600 mm×50 mm 的木撐桿，間距700 mm 布置。（5）拉桿。采用規(guī)格為長×厚=3000 mm×40 mm 的木拉桿，布置在距底板1.5 m 的位置處，通過拉桿將棚架連接為一個(gè)整體。（6）地梁地錨。采用長×直徑=100 mm×30 mm 的鋼釘布置在底板棚腿位置處，起到固定架腿的目的。具體巷道支護(hù)方式如圖2。

圖2 巷道支護(hù)斷面示意圖（mm）

巷道掘進(jìn)過斷層、松軟煤層區(qū)域時(shí)，采用超前注漿加固的方式進(jìn)行超前支護(hù)，注漿鉆孔直徑為35 mm，長度為20 m，間距為600 mm，鉆孔與煤壁成15°夾角布置，具體注漿鉆孔布置方式如圖3。注漿材料采用 FSS-化學(xué)加固材料（無機(jī)加固料），該加固材料由A/B 組分組成，施工時(shí)A/B 組分按1:1混合。

圖3 注漿鉆孔布置示意圖（m）

3.2 可行性模擬驗(yàn)證

為有效驗(yàn)證202 綜放工作面回采巷道采用梯形棚支護(hù)的可行性，采用FLAC3D模擬軟件進(jìn)行模擬分析?；诠ぷ髅嫣卣鳎瑪?shù)值模型中工作面寬度取100 m，順槽寬4.5 m，兩側(cè)各留50 m 實(shí)體煤，模型寬209 m，工作面推進(jìn)方向取100 m，高度方向取36.8 m，建立的模型尺寸：209 m×100 m×36.8 m，共計(jì)節(jié)點(diǎn)394 383 個(gè)，單元374 400 個(gè)。模型左右及前后的橫向位移設(shè)置為零，模型頂部施工等效自重載荷，重力加速度取為9.81 m/s2，底部位移設(shè)置為零。

202 工作面兩順槽開挖后，采用12 號(hào)工字鋼構(gòu)建梯形棚對(duì)棚支護(hù)，兩架梯形棚為一組，架棚排距為700 mm。計(jì)算平衡后，巷道圍巖垂直應(yīng)力、位移及塑性區(qū)分布如圖4。

圖4 圍巖應(yīng)力及塑性區(qū)分布圖

分析圖4 可知，巷道的開挖在其頂?shù)装宸秶纬梢粋€(gè)卸壓拱，在巷道兩幫及頂?shù)装寮缃翘幮纬纱怪睉?yīng)力集中帶，峰值應(yīng)力7.5～8.35 MPa。根據(jù)位移云圖可知，巷道掘進(jìn)完成采用工字鋼支護(hù)后，巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平糠謩e為20 mm、30 mm。掘進(jìn)施工完成后，巷道圍巖位移量較小。根據(jù)塑性區(qū)分布可知，2 號(hào)煤層受頂分層小窯開采破壞影響，掘巷完成后，頂板塑性區(qū)發(fā)育高度可達(dá)到2.5 m 左右，兩幫塑性區(qū)發(fā)育范圍均在2 m 左右，圍巖塑性區(qū)發(fā)育范圍較大，進(jìn)一步側(cè)面驗(yàn)證了采用錨桿（索）支護(hù)時(shí)無可靠著力點(diǎn)。

進(jìn)一步通過數(shù)值模型進(jìn)行工作面回采期間圍巖變形情況的模擬分析，數(shù)值模擬時(shí)通過循環(huán)開挖來模擬工作面的推進(jìn)，設(shè)置工作面開挖40 m?；夭善陂g在巷道頂板及兩幫布置位移觀測點(diǎn)，監(jiān)測距離回采工作面不同位置巷道頂板及兩幫位移量，得出頂板下沉和兩幫位移曲線如圖5。

分析圖5 可知，當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)距離工作面大于25 m時(shí)，頂板下沉量基本穩(wěn)定在35 mm，測點(diǎn)與工作面間距小于25 m時(shí)，此時(shí)頂板下沉速率開始逐漸增大，最終至工作面回采至測點(diǎn)位置處，頂板累計(jì)下沉量達(dá)到70 mm。監(jiān)測斷面在距工作面小于10 m 時(shí)，巷道兩幫變形速率逐漸增大。當(dāng)工作面回采至監(jiān)測點(diǎn)位置時(shí)，兩幫累計(jì)移近量達(dá)到86 mm。綜合上述數(shù)值模擬結(jié)果可知，巷道采用梯形鋼棚的支護(hù)方式，能夠保障巷道圍巖的穩(wěn)定，進(jìn)而驗(yàn)證得出支護(hù)方案可行。

圖5 工作面回采期間圍巖變形曲線圖

3.3 效果分析

202 綜放工作面回采巷道掘進(jìn)期間，通過現(xiàn)場觀測分析的方式，得出巷道采用梯形棚支護(hù)掘進(jìn)期間最大變形量為60 mm，圍巖整體變形量小，即巷道圍巖在掘進(jìn)期間處于穩(wěn)定狀態(tài)。為驗(yàn)證回采巷道現(xiàn)有支護(hù)是否滿足回采期間使用要求，工作面回采期間同樣進(jìn)行圍巖變形觀測，根據(jù)觀測數(shù)據(jù)能夠繪制出變形量與距工作面距離間的關(guān)系曲線，如圖6。

圖6 工作面回采期間圍巖變形曲線圖

分析圖6 可知，工作面回采期間，當(dāng)巷道監(jiān)測斷面與工作面間的距離小于60 m 時(shí)，頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟块_始大幅增大，最終頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平康淖畲笾捣謩e為92 mm 和195 mm。

4 結(jié)論

根據(jù)202 綜放工作面頂分層破壞區(qū)下回采巷道的賦存特征，通過分析巷道賦存特征，結(jié)合巷道使用要求及工程類比法，確定巷道斷面為梯形，采用工字鋼支護(hù)，棚距700 mm；當(dāng)煤層松軟、過斷層破碎帶時(shí)，采用注漿加固措施；通過數(shù)值模擬驗(yàn)證了支護(hù)方案可行性。根據(jù)支護(hù)方案應(yīng)用后的效果分析可知，巷道在現(xiàn)有支護(hù)方案下圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。