李肖潞

(潞安集團(tuán) 潞陽(yáng)麥捷煤業(yè)有限公司，山西 晉中 045400)

1 工程概況

麥捷煤業(yè)現(xiàn)開采15號(hào)煤層，15號(hào)煤層厚度為3.5～7.7 m，平均5.56 m，煤層傾角為13°，普氏系數(shù)為2.3，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，局部含有不連續(xù)薄層炭質(zhì)泥巖夾矸，層理節(jié)理發(fā)育。150311工作面位于井下第三采區(qū)，是該礦15號(hào)煤層的首采工作面，工作面沿煤層走向布置，采用綜采放頂煤開采，工作面平均埋深為650 m，150311工作面頂?shù)装鍘r性特性如表1所示。150311工作面長(zhǎng)度165 m，推進(jìn)長(zhǎng)度650 m，共布置三條回采巷道，分別為150311輔助進(jìn)風(fēng)巷、150311回風(fēng)巷和150311運(yùn)輸巷，三條巷道均沿15號(hào)煤層底板掘進(jìn)。計(jì)劃對(duì)150311輔助進(jìn)風(fēng)巷沿空留巷作為150312工作面的輔助進(jìn)風(fēng)巷，巷道頂板巖層為較松軟的砂質(zhì)泥巖，為了滿足沿空留巷的需求，需要對(duì)150311輔助進(jìn)風(fēng)巷的加固措施和支護(hù)方法進(jìn)行研究。

表1 煤層頂?shù)装逄卣?/p>

2 充填區(qū)域頂板控制技術(shù)研究

巷旁充填區(qū)域頂板由于工作面的采掘活動(dòng)受到反復(fù)的影響[1-2]，其受力過(guò)程主要有：①工作面開采前受到原巖應(yīng)力的影響；②本工作面回采時(shí)超前支承壓力的影響；③巷旁充填體充填完成后，工作面周期來(lái)壓與充填體相互作用的影響；④采空區(qū)頂板巖層垮落趨于穩(wěn)定后，工作面滯后支承壓力與充填體共同作用。可知充填區(qū)域頂板在該工作面采動(dòng)影響下反復(fù)受到動(dòng)壓的影響，很可能發(fā)生失穩(wěn)，并且150311工作面頂板圍巖為松軟的砂質(zhì)泥巖，承載能力較差，因此為了提高留巷圍巖的穩(wěn)定性，就要保證充填區(qū)域頂板的穩(wěn)定性。

充填區(qū)域的頂板內(nèi)側(cè)為150311輔助進(jìn)風(fēng)巷，外側(cè)為采空區(qū)，其頂板結(jié)構(gòu)示意如圖1(a)所示，充填區(qū)域頂板在工作面采動(dòng)影響下形成破碎區(qū)，大大降低了頂板的完整性和穩(wěn)定性，由于基本頂巖層硬度較大，完整性較好，而直接頂松軟破碎，導(dǎo)致直接頂與基本頂分離產(chǎn)生離層區(qū)，在充填體的切頂作用下很容易發(fā)生巷內(nèi)冒頂，因此充填區(qū)域頂板的穩(wěn)定性對(duì)于巷道圍巖控制起著非常關(guān)鍵的作用。

由于煤層直接頂為松軟的砂質(zhì)泥巖，平均厚度為7.65 m，其長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于常用錨桿的錨固范圍，因此考慮采用錨固范圍大、預(yù)緊力大的錨索進(jìn)行加固，以此來(lái)控制150311工作面輔助進(jìn)風(fēng)巷直接頂與基本頂離層，加固充填體上方松軟破碎的砂質(zhì)泥巖頂板。加固方案如圖1(b)所示。在150311工作面割煤移架后，端頭處鋪設(shè)柔性網(wǎng)，緊跟支架后方布置錨索進(jìn)行加固，每排錨索為3根，錨索間距為900 mm，排距為1 000 mm，靠近輔助進(jìn)風(fēng)巷最近的那根錨索距離巷道中心線2 600 mm，錨索采用D21.6 mm×8 300 mm的鋼絞線。

圖1 充填區(qū)域頂板控制示意

3 巷內(nèi)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)參數(shù)研究分析

在150311工作面回采期間對(duì)150311輔助進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，原有支護(hù)方式頂板為錨桿、錨索、金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，煤幫為錨桿、塑料網(wǎng)、木托板聯(lián)合支護(hù)。頂板和煤幫錨桿均采用MSGLW-335-20/2400螺紋鋼錨桿，頂板每排5根錨桿加兩根錨索，錨桿錨索間通過(guò)7眼W型鋼帶進(jìn)行聯(lián)接，最外側(cè)兩個(gè)錨孔間距650 mm，剩余的間距為800 mm，靠近兩幫的錨桿距離煤壁150 mm，錨索間距為1 600 mm，排距均為800 mm，錨索采用D23 mm×1 200 mm雙速樹脂錨固劑一條。幫部錨桿間排距為900 mm×900 mm。錨桿均采用D23 mm×800 mm超快樹脂錨固劑。原有支護(hù)方案模型如圖2(a)所示。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)在原方案的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了以下三個(gè)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案。

方案一：頂板和煤幫補(bǔ)打錨桿進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。煤幫每隔兩排錨桿在距離底板大約300 mm、1 000 mm及靠近頂板400 mm處各打一根錨桿，靠近底板和頂板的錨桿俯角、仰角均為15°，靠近中部的錨桿垂直煤幫鉆進(jìn)，錨桿預(yù)緊力150 kN。錨桿型號(hào)與原有支護(hù)方案相同。煤幫鋪設(shè)的塑料網(wǎng)改為菱形金屬網(wǎng)。頂板每隔兩排補(bǔ)打三根錨桿，錨桿距離充填體側(cè)150 mm，錨桿間排距為1800 mm×1 600 mm，見(jiàn)圖2(b)。

方案二：頂板和煤幫上補(bǔ)打錨桿、錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。在方案一錨桿補(bǔ)強(qiáng)的基礎(chǔ)上，煤幫錨桿補(bǔ)強(qiáng)處每排補(bǔ)打兩根幫錨索，錨索間排距為1 400 mm×1 800 mm，靠近底板錨索距離底板300 mm，錨索直徑為21.6 mm，長(zhǎng)度為4 200 mm，預(yù)緊力為150 kN。頂板每?jī)膳叛a(bǔ)打3根D21.6 mm×8 300 mm的礦用錨索，間排距為1 800 mm×1 600 mm，預(yù)緊力為250 kN，如圖2(c)所示。

方案三：在方案二的基礎(chǔ)上，將頂板補(bǔ)強(qiáng)錨索改為D21.6 mm×10 300 mm高強(qiáng)錨索，補(bǔ)打錨索距離充填體幫150 mm，托盤規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm。如圖2(d)所示。

圖2 不同補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案示意

為了比較不同補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案的加固效果，依據(jù)麥捷煤業(yè)150311工作面具體的地質(zhì)條件，應(yīng)用FLAC3D軟件建立如圖3所示的數(shù)值模型[3-4]，模型尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=650 m×200 m×125 m，150311工作面平均埋深為650 m，上覆巖層平均容重為2.5×10 kN/m3，垂直方向上施加的均布載荷P=(埋深-頂板厚度)×容重=500×103kN。在煤柱位置進(jìn)行了更為密集的網(wǎng)格劃分。模擬方案：在不同的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案條件下，進(jìn)行150311工作面的回采，每10 m為一個(gè)開挖循環(huán)，工作面回采完畢后在y=50處布置測(cè)點(diǎn)觀測(cè)150311輔助進(jìn)風(fēng)巷圍巖的位移情況。

統(tǒng)計(jì)在測(cè)點(diǎn)位置不同補(bǔ)強(qiáng)方案條件下圍巖最大的位移量，整理后得到如圖4所示的結(jié)果。由圖4可知，在原有支護(hù)的基礎(chǔ)上采用錨桿、錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，能夠大大減小150311輔助進(jìn)風(fēng)巷在工作面采動(dòng)影響下圍巖的變形，采用補(bǔ)強(qiáng)方案一可使巷道頂板下沉量減小16.7 mm，底板底鼓量減小9.5 mm，充填體移進(jìn)量減小40.3 mm，煤幫移進(jìn)量減小8.2 mm，穩(wěn)定性提升最明顯的是頂板和充填體幫。采用方案二上述位移與方案一相比減小量分別為4.1 mm、3.5 mm、13.4 mm、3.6 mm，巷道圍巖的穩(wěn)定性整體上明顯提升。采用補(bǔ)強(qiáng)方案三與方案二相比上述位移量減小分別為1.2 mm、2.6 mm、4.5 mm、3.7 mm，巷道圍巖位移量減小很少。綜上可知，從經(jīng)濟(jì)和施工等因素綜合考慮，確定方案二為補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案。

圖3 數(shù)值模擬計(jì)算模型

圖4 不同補(bǔ)強(qiáng)方案條件下巷道穩(wěn)定情況模擬結(jié)果

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果分析

根據(jù)上述確定的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案對(duì)150311工作面輔助進(jìn)風(fēng)巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，留巷作為150312工作面的輔助進(jìn)風(fēng)巷。充填體充填寬度為2.0 m，選用水灰比為1.5∶1的高水材料，為提高充填體的承載能力，用鋼筋網(wǎng)+梯子梁+對(duì)拉錨桿進(jìn)行加固，錨桿間排距為750 mm×800 mm，補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后的巷道斷面如圖5所示。

圖5 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案

為考察150311工作面輔助進(jìn)風(fēng)巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后的圍巖控制效果，在150311工作面回采期間布置巷道圍巖位移觀測(cè)站，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6所示。由圖可知，150311工作面輔助進(jìn)風(fēng)巷在該工作面采動(dòng)的影響下，實(shí)體煤側(cè)頂?shù)装遄畲笠七M(jìn)量為776 mm，充填體側(cè)頂?shù)装遄畲笠七M(jìn)量為589 mm，兩幫移進(jìn)量最大為546 mm，綜上可知，沿空巷道圍巖變形量在可控范圍內(nèi)，經(jīng)過(guò)挖底等維護(hù)修復(fù)措施后可以很好的復(fù)用，滿足150312工作面回采的需求。

圖6 巷道圍巖表面位移觀測(cè)結(jié)果

5 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)麥捷煤業(yè)150311綜放工作面具體的地質(zhì)條件，通過(guò)理論分析可知留巷支護(hù)時(shí)，對(duì)于充填區(qū)域頂板的加固非常重要，150311輔助進(jìn)風(fēng)巷頂板為松軟破碎的煤層和砂質(zhì)泥巖，因此設(shè)計(jì)采用錨固范圍大、預(yù)緊力大的長(zhǎng)錨索對(duì)巷道頂板和充填區(qū)域直接頂進(jìn)行加固。通過(guò)數(shù)值模擬分析確定合理的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后進(jìn)行圍巖位移監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明，通過(guò)對(duì)于150311輔助進(jìn)風(fēng)巷補(bǔ)強(qiáng)加固及巷旁充填支護(hù)后，在150311工作面回采期間，沿空巷道實(shí)體煤側(cè)頂?shù)装遄畲笠七M(jìn)量為776 mm，充填體側(cè)頂?shù)装遄畲笠七M(jìn)量為589 mm，兩幫移進(jìn)量最大為546 mm，經(jīng)適當(dāng)維修后能夠?yàn)?50312工作面服務(wù)。