王廣勝

(山西蘭花集團(tuán)莒山煤礦有限公司，山西晉城048002)

1 工程概況

莒山煤礦開(kāi)采3號(hào)煤層，ZF303工作面主要回收五采區(qū)運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷孤島保護(hù)煤柱，平均埋深126m，煤層基本頂為砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖，厚5.14m，直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚1.46m。直接底為砂質(zhì)泥巖，厚 0.62m，基本底為細(xì)砂巖，厚2.93m。

工作面采用放頂煤采煤方法，走向長(zhǎng)度450m，傾向長(zhǎng)度 73.5m，割煤高度 2.30m，放煤高度3.74m。兩巷采用12號(hào)梯形礦工鋼棚支護(hù)，巷道凈斷面8.67m2，棚距0.8m。

五采區(qū)運(yùn)輸巷布置于ZF303工作面下部，采用料石砌碹支護(hù)，巷道凈斷面10.95m2，距3號(hào)煤層底板間距0～23m，嚴(yán)重影響工作面安全回采。巷道布置如圖1所示。

圖1 ZF303工作面巷道布置

2 巷道圍巖松動(dòng)圈及巖石力學(xué)性質(zhì)測(cè)試

2.1 巷道圍巖松動(dòng)圈測(cè)試

使用YTJ20類(lèi)型巖石檢測(cè)記錄儀對(duì)圍巖松散圈測(cè)量，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在五采區(qū)運(yùn)輸巷內(nèi)選擇和ZF303工作面不同層間距的3個(gè)測(cè)站，3個(gè)測(cè)站由里向外分別距離 ZF303工作面22m，16m，11m。測(cè)量結(jié)果顯示:五采區(qū)運(yùn)輸巷圍巖松動(dòng)圈值為0.4～1.23m，屬較穩(wěn)定圍巖。且頂板松動(dòng)圈值明顯大于巷道兩幫。原因?yàn)橄锏绹鷰r與碹體間存在較大空隙 (基于鉆孔現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)，空隙寬度0.2～0.3m)，巷道頂部圍巖在礦壓作用下發(fā)生逐步變形和離層。測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 ZF303回采工作面下部巷道圍巖松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果

2.2 巖石力學(xué)性質(zhì)測(cè)試

選用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定3號(hào)煤層、五采區(qū)運(yùn)輸巷頂部巖層抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度。實(shí)測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 巖石物理力學(xué)參數(shù)

3 ZF303采面下部巷道穩(wěn)定性研究

3.1 理論分析

西德學(xué)者雅可畢將巖體看作均質(zhì)彈性體，模擬計(jì)算煤柱與煤體下方巖層的應(yīng)力分布，得出了煤巖體應(yīng)力分布圖 (如圖2所示)。ZF303工作面布置于兩側(cè)采空區(qū)煤柱內(nèi)，兩側(cè)煤柱寬度8～10m，圖2表明:工作面下部15m范圍巖體的應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)2.8。

當(dāng)工作面推進(jìn)至五采區(qū)運(yùn)輸巷上部時(shí)，巖體內(nèi)集中應(yīng)力與工作面超前壓力疊加，巷道承受礦壓達(dá)到頂部上覆圍巖自重的10～13倍，巷道將發(fā)生嚴(yán)重變形和垮落。

圖2 底板巖層中的應(yīng)力分布

3.2 數(shù)值模擬

擬采用大尺寸料石柱為主的加固形式維持下部運(yùn)輸巷回采期間的穩(wěn)定，為了驗(yàn)證方案的可行性，選用FLAC軟件對(duì)五采區(qū)運(yùn)輸巷受采動(dòng)影響以及不同尺寸料石柱對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響進(jìn)行模擬分析，共創(chuàng)建6個(gè)計(jì)算模型，無(wú)料石柱、料石柱尺寸為0.7m×0.7m，1.0m×1.0m，1.5m×1.5m，2.1m× 2.1m，2.7m×1.5m，典型模型如圖3所示。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型

根據(jù)模型得出五采區(qū)運(yùn)輸巷圍巖豎向位移演化曲線(xiàn)，如圖4所示。

根據(jù)理論、數(shù)值分析模擬，得出以下結(jié)論:

(1)ZF303工作面回采對(duì)其下部運(yùn)輸大巷的穩(wěn)定性影響很大。無(wú)支護(hù)時(shí)的破壞區(qū)范圍是有支護(hù)時(shí)的3倍，位移達(dá)到3m多。在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)，巷道早已失穩(wěn)，需要對(duì)五采區(qū)運(yùn)輸大巷進(jìn)行支護(hù)。

(2)增加料石柱支護(hù)以后巷道變形明顯得到控制。料石柱尺寸為1.0m×1.0m時(shí)，頂板下沉量?jī)H為無(wú)支護(hù)時(shí)的11%。料石柱支護(hù)在本次研究的工程地質(zhì)條件下對(duì)巷道穩(wěn)定性控制作用明顯。

圖4 采動(dòng)壓力影響下巷道位移

(3)ZF303工作面回采過(guò)程中，5種支護(hù)條件下的大巷圍巖位移量都是頂板最大，幫部較小，五采區(qū)運(yùn)輸巷頂板是此次支護(hù)的重點(diǎn)。

(4)料石柱尺寸大于1.5m×1.5m后加固效果都比較好。由于ZF303采面下部的巷道屬于將要廢棄巷道，而且下部巷道承受的是短期的動(dòng)態(tài)高應(yīng)力，在保證能抵抗ZF303采面超前支承壓力的前提下，兼顧加固成本，所以建議料石柱尺寸在采面到運(yùn)輸巷垂直距離小于10m且大于5m時(shí)大小應(yīng)為(1.5～1.8m)×(1.5～1.8m)，對(duì)于小于5m段則要考慮安全系數(shù)，料石柱尺寸大小應(yīng)取 (2.1～2.5m)×(2.1～2.5m)。

4 五采區(qū)運(yùn)輸巷加固設(shè)計(jì)

采用“碹體壁后注漿、頂板中部料石柱支護(hù)、單體支柱超前支護(hù)”的復(fù)合支護(hù)方案，對(duì)受?chē)?yán)重采動(dòng)影響巷道進(jìn)行加固。

4.1 碹體壁后預(yù)注漿充填加固設(shè)計(jì)

由于巷道碹體與圍巖之間存在較大空隙 (現(xiàn)場(chǎng)打孔實(shí)測(cè)結(jié)果在0.2m以上)，后期回采過(guò)程中碹體與圍巖的空隙易造成應(yīng)力集中，為提高支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的整體耦合作用，增加巷道穩(wěn)定性，利用壁后注漿充填的方式對(duì)巷道進(jìn)行預(yù)加固。注漿采用水泥－水玻璃漿液，注漿管長(zhǎng)1100mm，注漿短管布置如圖5。

圖5 注漿短管布置

4.2 大尺寸料石柱支護(hù)

壁后注漿充填預(yù)加固完成后即可進(jìn)行料石柱施工。支護(hù)設(shè)計(jì)方案中的料石柱尺寸為2.5m×2.5m，排距為500mm;根據(jù)因地制宜的原則采用鋼筋混凝土支架與矸石砂漿充填體代替料石柱，具體支護(hù)設(shè)計(jì)如下:

(1)將架設(shè)位置的巷道底板清理平整。

(2)首先將2根鋼筋混凝土支架的梁沿巷道軸向平行放置，凈間距為1700mm，梁截面平行對(duì)邊的寬邊(寬160mm)朝下;然后將2根鋼筋混凝土支架的腿水平置于2根梁上，腿與梁垂直，兩根腿的凈間距為 1500mm，每根腿距梁的端部290mm，腿截面平行對(duì)邊的寬邊 (寬160mm)朝下與梁的窄邊(寬110mm)接觸;最后用10號(hào)鐵絲將四角的梁與腿綁扎牢靠。重復(fù)以上步驟往上架設(shè)，每架設(shè)4層 (高度900mm)就在框架的外圍緊貼梁和腿設(shè)置擋板，注意擋板間搭接要緊密以防灌漿時(shí)往外滲漏。

(3)首先往擋板和混凝土支架?chē)傻木匦慰臻g中充填矸石，邊充填邊平整，當(dāng)厚度達(dá)到300mm時(shí)往矸石上灌漿并使砂漿充滿(mǎn)矸石間的空隙。重復(fù)以上步驟直至充滿(mǎn)矩形空間。

(4)重復(fù)步驟(2)和(3)直至與巷道頂板充分接觸。

(5)相鄰兩個(gè)鋼筋混凝土支架垛的梁與梁相互對(duì)接，在對(duì)接圍成的矩形空間中按類(lèi)似的方法充填矸石和灌注砂漿，從而在巷道中部形成一個(gè)厚2200mm的連續(xù)支撐墻 (如圖6所示)。

圖6 鋼筋混凝土支架架設(shè)及連續(xù)充填

4.3 單體支柱動(dòng)態(tài)超前加強(qiáng)支護(hù)

ZF303采面垂距小于5m段巷道段采用架柱式支架加固，支架支設(shè)密度為每0.5m巷道架設(shè)1排，垂距大于5m小于10m段巷道段支架的支設(shè)密度為每1.0m巷道架設(shè)1排，每排分別在料石柱兩側(cè)支設(shè)1根單體柱。確保支柱初撐力不低于120kN，支護(hù)方案如圖7所示。

5 實(shí)測(cè)效果分析

圖7 五采區(qū)運(yùn)輸巷架柱式加固

ZF303工作面回采期間通過(guò)對(duì)巷道圍巖表面位移觀測(cè)，進(jìn)而分析評(píng)價(jià)巷道支護(hù)效果，統(tǒng)計(jì)得出ZF303工作面下部巷道圍巖變形規(guī)律如圖8，圖9所示。

圖8 頂?shù)孜灰?/p>

圖9 兩幫位移

由變形情況分析，受上部工作面回采影響五采區(qū)運(yùn)輸巷圍巖發(fā)生位移，且隨工作面由里向外推進(jìn)位移變形速度呈加劇趨勢(shì)，但總位移量小于220mm，符合工作面穩(wěn)定性開(kāi)采要求，巷道支護(hù)狀況較好。

6 結(jié)論

(1)孤島綜放工作面開(kāi)采對(duì)下部巷道影響非常劇烈，巷道長(zhǎng)期處于不穩(wěn)定狀態(tài)，巷道圍巖變形嚴(yán)重。

(2)對(duì)孤島綜放工作面下部巷道采用壁后注漿、大尺寸料石柱加固處理，保證了工作面安全回采，實(shí)踐表明，此技術(shù)科學(xué)合理、安全實(shí)用。

(3)該技術(shù)支護(hù)成本為1016.66元/m，安全回收了采區(qū)煤柱，順利回采煤炭183kt，按400元/ t計(jì)算，為煤礦增加利潤(rùn)超過(guò)7000萬(wàn)元，為類(lèi)似條件下的巷道工程提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)，對(duì)沁水煤田乃至全國(guó)煤炭行業(yè)同類(lèi)煤柱回收工程都起到很好的輻射效應(yīng)。

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