溫莊煤業(yè)15106工作面過平行腰巷圍巖控制技術(shù)研究

路紅日

(潞安化工集團(tuán) 溫莊煤業(yè)，山西 長治 046300)

1 工程概況

溫莊煤業(yè)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(jù)工作面附近ZK4-1煤層結(jié)構(gòu)2.55(0.25)2.10，煤層厚度平均為4.65 m，工作面推進(jìn)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(yùn)輸巷、回風(fēng)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(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，且在特殊地段采用錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

1) 頂板支護(hù)：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(guī)格MSGLW-500/22×2 000 mm螺紋鋼錨桿，間排距1.0 m.支護(hù)斷面如圖1(b)所示。

圖1 腰巷位置及原支護(hù)

工作面回采期間鄰近及通過腰巷區(qū)域期間，液壓支架載荷增大，易發(fā)生壓架事故，工作面煤壁片幫、頂板冒頂風(fēng)險(xiǎn)增大，腰巷易發(fā)生嚴(yán)重變形失穩(wěn)破壞問題。綜合運(yùn)用數(shù)值模擬、工程類比與現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)的方法，研究溫莊煤礦15106工作面過腰巷技術(shù)方案，分析了工作面推進(jìn)距腰巷不同位置時(shí)，15106腰巷位移分布特征，設(shè)計(jì)合理有效的過腰巷加固技術(shù)和方案，確保工作面安全快速地通過腰巷區(qū)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(jù)溫莊煤礦15106工作面過腰巷的現(xiàn)場試驗(yàn)條件，采用離散元數(shù)值分析軟件 UDEC，建立二維平面數(shù)值計(jì)算模型。數(shù)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(jìn)至距離腰巷 25 m、20 m、15 m、13 m 和 10 m 時(shí)的腰巷圍巖表面變形和塑性區(qū)的變化規(guī)律，數(shù)值模擬結(jié)果如圖 2 所示。

圖2 工作面推進(jìn)過程中煤柱及腰巷圍巖塑性區(qū)破壞示意

從圖 2可以看出，隨著工作面推進(jìn)，腰巷圍巖塑性區(qū)變化規(guī)律如下：

1) 工作面在距腰巷 25～20 m 時(shí)，煤壁內(nèi)塑性破壞深度范圍為3～7 m，塑性破壞范圍較小，可認(rèn)為此時(shí)腰巷還未受到明顯的回采擾動(dòng)影響；而當(dāng)工作面推進(jìn)至距腰巷15 m時(shí)，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(jìn)至距腰巷15 m范圍內(nèi)，區(qū)域圍巖受到明顯采動(dòng)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(jìn)至10 m的過程中，采動(dòng)影響對頂板破壞范圍影響逐漸增大，而推進(jìn)距腰巷10 m 時(shí)，煤柱出現(xiàn)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(qū)范圍逐漸增加，煤柱寬度從15 m減小為13 m 時(shí)，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(qū)和腰巷塑性破壞區(qū)臨近匯合，僅剩下煤體中部小部分彈性核區(qū)；工作面與腰巷間煤柱寬度減小為10 m時(shí)，煤柱基本處于塑性破壞狀態(tài)。

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(fā)生壓架、端面冒頂?shù)母怕曙@著增大，影響工作面的安全高效生產(chǎn)，空巷圍巖也將失穩(wěn)垮落，導(dǎo)致工作面無法通過空巷區(qū)域，因此必須采取可靠的加固措施，既能防止空巷圍巖失穩(wěn)又能保證工作面載荷不會(huì)過大。

3 木垛支護(hù)下腰巷圍巖穩(wěn)定性模擬研究

參考類似地質(zhì)條件下綜采工作面過空巷的相關(guān)案例，設(shè)計(jì)采用木垛支護(hù)方式對15106腰巷進(jìn)行加固。木垛使用150 mm×180 mm×1 500 mm道木進(jìn)行打設(shè)，木垛規(guī)格3 m×3 m×3.6 m，木垛間距3 m.在腰巷口20 m范圍內(nèi)，木垛打設(shè)為實(shí)體木垛。實(shí)體木垛每層使用150 mm×180 mm×1 500 mm道木40根，共20層。每個(gè)實(shí)體木垛使用150 mm×180 mm×1 500 mm的道木800根，共需打設(shè)11個(gè)實(shí)體木垛。腰巷內(nèi)打設(shè)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(shè)井字木垛26個(gè)。木垛布置詳情如圖3所示。

圖3 木垛支護(hù)示意(mm)

為驗(yàn)證腰巷采用木垛加固的效果，以15106工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件為依據(jù)，采用FLAC軟件建立三維模型，模型中腰巷采用錨網(wǎng)索+木垛聯(lián)合支護(hù)，模型計(jì)算時(shí)采用應(yīng)變軟化模型，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)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?？梢钥闯?，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(dǎo)致頂板持續(xù)下沉，下沉增幅達(dá)到495 mm，巷道整體變形量在可控范圍內(nèi)。由此可知，采用木垛加固措施可實(shí)現(xiàn)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(yīng)用效果綜合評價(jià)

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(jiān)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(jīng)驗(yàn)總結(jié)

1) 參照成功過腰巷案例對支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行安全、經(jīng)濟(jì)對比分析，采用木垛加錨索聯(lián)合支護(hù)，不僅保證了腰巷的支護(hù)強(qiáng)度，同時(shí)通過期間也最大化對道木進(jìn)行了回收。支護(hù)需用道木18 918根，回收13 010根，回收率達(dá)到68.8%.每根道木101.88元，回收的道木價(jià)值132.5萬元，支護(hù)成本60.2萬元。

高水材料充填方案：充填高水材料的價(jià)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(jié)約成本357.3-60.2=297.1萬元。

2) 工作面過腰巷前對設(shè)備進(jìn)行全面檢修，保證設(shè)備完好性，同時(shí)對支架安全閥進(jìn)行標(biāo)校，提高安全閥的可靠性。

3) 過腰巷時(shí)，支架頂梁接頂要嚴(yán)密，采取機(jī)尾加刀的方法推進(jìn)，推過腰巷后，工作面調(diào)整為與上下順槽垂直，恢復(fù)正常生產(chǎn)。

4) 隨著礦井進(jìn)入深部區(qū)開采，地質(zhì)條件更復(fù)雜，巷道受二次、三次礦壓采動(dòng)影響，還需進(jìn)一步加強(qiáng)對礦壓規(guī)律的分析總結(jié)，購置安裝先進(jìn)的礦壓監(jiān)測系統(tǒng)及頂板在線綜合監(jiān)測系統(tǒng)，提升礦壓管理的信息化水平。

5 結(jié) 語

溫莊煤礦15106工作面在工作面推進(jìn)過程中可能出現(xiàn)腰巷大變形、頂板失穩(wěn)現(xiàn)象，對設(shè)備人員造成潛在的威脅，不利于礦區(qū)的長遠(yuǎn)可持續(xù)發(fā)展。采用木垛進(jìn)行腰巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，可避免腰巷過度失穩(wěn)變形，保證工作面順利通過空巷。工程實(shí)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(xiàn)壓架、冒頂、片幫等事故，空巷維護(hù)效果良好，實(shí)現(xiàn)了工作面安全高效通過腰巷區(qū)域，取得了良好的經(jīng)濟(jì)、安全效益。