鎮(zhèn)城底礦28620工作面強(qiáng)動(dòng)壓巷道圍巖控制技術(shù)研究

焦躍峰

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司鎮(zhèn)城底礦， 山西 古交 030203）

隨著煤炭開(kāi)采技術(shù)水平的提高，工作面高強(qiáng)度、集約化大型煤炭開(kāi)采設(shè)備的使用越來(lái)越普及[1-3]，在工作面開(kāi)采高度增大的同時(shí)，工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈程度也隨之增加，出現(xiàn)巷道圍巖變形大、難控制等問(wèn)題。我國(guó)多個(gè)煤礦企業(yè)均面臨動(dòng)壓巷道控制難題。針對(duì)巷道受強(qiáng)擾動(dòng)、圍巖破碎、支護(hù)效果差等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者對(duì)此展開(kāi)研究。王其洲[4]采用“錨索+U型鋼”聯(lián)合支護(hù)，通過(guò)錨索提高圍巖固化強(qiáng)度，增大U型鋼承載強(qiáng)度，解決拱形巷道難支護(hù)現(xiàn)狀；袁越[5]建立深部動(dòng)壓環(huán)境下巷道圍巖受力模型，推導(dǎo)出巷道圍巖破碎塑性區(qū)邊界方程式，為深部巷道設(shè)計(jì)、支護(hù)提供參考；唐芙蓉[6]基于試驗(yàn)巷道地質(zhì)條件，構(gòu)建不等壓條件下巷道受力破壞模型，提出了“錨噴索+錨注”聯(lián)合控制技術(shù)；婁金福[7]針對(duì)動(dòng)壓巷道頂板離層控制難題，分析頂板離層時(shí)主動(dòng)、被動(dòng)支護(hù)對(duì)頂板巖層控制區(qū)別，提出高預(yù)緊力強(qiáng)力主動(dòng)支護(hù)措施對(duì)動(dòng)壓巷道頂板離層有良好的控制效果。

本文以鎮(zhèn)城底礦28620工作面巷道為研究對(duì)象，分析巷道在強(qiáng)動(dòng)壓影響下，圍巖變形破壞特征及失穩(wěn)機(jī)理，進(jìn)一步提出巷道圍巖控制技術(shù)，保證巷道在服務(wù)期內(nèi)的安全使用。

1 工程地質(zhì)概況

鎮(zhèn)城底礦是西山煤電古交礦區(qū)五對(duì)礦井之一。井田位于西山煤田的西北邊緣，井田地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，形態(tài)略呈一個(gè)傾伏狀、波浪式不對(duì)稱向斜構(gòu)造，區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育。礦井地處古交市西北11 km。

井田面積23.8 km2，可采煤層8層，煤質(zhì)以肥煤、焦煤為主，主采煤層為2號(hào)、3號(hào)和8號(hào)煤。生產(chǎn)能力為 190 萬(wàn) t／a。

其中8號(hào)煤層為石巖系太原組，煤層賦存穩(wěn)定，厚度約為3.80～4.80 m，平均厚度為4.5 m。28620工作面頂?shù)装甯矌r特征見(jiàn)圖1所示。工作面位于南二下組煤采區(qū)左翼，西北側(cè)接正在回采的28610工作面。28620工作面一次采全高綜采工作面，工作面在回采期間，受動(dòng)壓影響劇烈，出現(xiàn)巷道頂板劇烈下沉，巷道兩幫向巷道空間內(nèi)移變形嚴(yán)重，頂板錨桿、錨索出現(xiàn)大范圍的破斷，嚴(yán)重影響正?；夭勺鳂I(yè)，存在巨大安全隱患。

圖1 28620工作面頂?shù)装甯矌r特征

2 動(dòng)壓巷道圍巖破壞特征及失穩(wěn)機(jī)理

2.1 動(dòng)壓巷道圍巖破壞特征

動(dòng)壓巷道圍巖破壞特征一般與軟巖巷道類似，但與之相比，動(dòng)壓巷道由于其受力復(fù)雜特性，變形更加復(fù)雜。根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)28620工作面動(dòng)壓巷道圍巖表面及內(nèi)部觀測(cè)，動(dòng)壓巷道圍巖變形破壞呈現(xiàn)三大主要特征：

1）巷道圍巖變形速度快、圍巖變形量大。根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)28620工作面圍巖位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，巷道在初期受動(dòng)壓影響階段，在較短時(shí)間內(nèi)，巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平烤涂缮仙?20 mm，兩幫最大日收斂量為1.5 mm/d，巷道頂板日最大下沉量達(dá)2.1 mm/d，底板鼓起量日最大達(dá)到1.4 mm/d。隨著工作面回采，巷道破壞程度呈現(xiàn)逐漸上升趨勢(shì)。

2）巷道變形具有較強(qiáng)的時(shí)間特性。動(dòng)壓巷道圍巖出現(xiàn)大變形主要與動(dòng)力源有關(guān)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)顯示，超前工作面約80 m處時(shí)，巷道開(kāi)始受到采動(dòng)影響，隨著工作面的向前推進(jìn)，巷道圍巖變形程度及變形速度出現(xiàn)激增；在超前工作面約10 m處，巷道變形速度達(dá)到最大值，當(dāng)工作面推過(guò)該巷道處，巷道圍巖變形速度逐漸降低。

3）巷道圍巖呈現(xiàn)非對(duì)稱性破壞特征。圍巖產(chǎn)生此類變形主要是由于巷道開(kāi)掘后，高應(yīng)力逐漸向深部轉(zhuǎn)移，圍巖變形具有顯著的流變特征。此外，隨著工作面回采，采空區(qū)一側(cè)支承結(jié)構(gòu)及應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，在實(shí)體煤幫與保安煤柱兩側(cè)，應(yīng)力場(chǎng)呈現(xiàn)非對(duì)稱性特征，加劇圍巖出現(xiàn)非對(duì)稱性破壞。其破壞形式如圖2所示。

圖2 巷道圍巖非對(duì)稱性破壞形式

2.2 動(dòng)壓巷道圍巖失穩(wěn)機(jī)理分析

動(dòng)壓巷道圍巖由頂?shù)装濉⒚罕诩皩?shí)體煤組成，工作面回采產(chǎn)生的擾動(dòng)對(duì)護(hù)巷煤柱產(chǎn)生直接影響，失穩(wěn)的形式包括剪切失穩(wěn)、劈裂失穩(wěn)及沿結(jié)構(gòu)面滑移失穩(wěn)等；其次影響在部位巷道頂板，存在離層與撓曲失穩(wěn)、剪切失穩(wěn)、拉斷失穩(wěn)和擠壓流動(dòng)失穩(wěn)等四種破壞形式以及巷道底板的底鼓。

對(duì)于動(dòng)壓巷道而言，一般要經(jīng)歷鄰近工作面回釆及本工作面回釆的雙重影響。動(dòng)壓作用下的圍巖破壞包括：煤柱破壞失穩(wěn)、頂板失穩(wěn)及結(jié)構(gòu)面的破壞。巷道護(hù)巷煤柱、頂?shù)装寮捌浣Y(jié)構(gòu)面都是一個(gè)有機(jī)的整體。因此，動(dòng)壓巷道圍巖的變形破壞失穩(wěn)是各個(gè)組成部分相互作用、相互影響的綜合結(jié)果，組合中任一部分的變形失穩(wěn)都有可能影響到巷道整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，甚至導(dǎo)致巷道整體的失穩(wěn)破壞。

一般來(lái)說(shuō)，動(dòng)壓巷道護(hù)巷煤柱上、下兩端呈現(xiàn)水平壓縮狀態(tài)，煤柱中部呈現(xiàn)水平拉伸狀態(tài)，在強(qiáng)動(dòng)壓作用下，巷道中部出現(xiàn)劈裂破壞；而巷道頂板巖層在采空區(qū)上覆老頂巖塊回轉(zhuǎn)失穩(wěn)過(guò)程中，受到來(lái)自關(guān)鍵塊體回轉(zhuǎn)下沉產(chǎn)生的水平推力作用下，頂板巖層發(fā)生橫向錯(cuò)動(dòng)，頂板覆巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性遭到破壞。在巷道兩幫失穩(wěn)煤柱未能提供有效支承作用的情況下，導(dǎo)致頂板彎曲下沉，過(guò)程如圖3所示；另外結(jié)構(gòu)面的破壞主要是由于巷道開(kāi)挖后，使巷道圍巖弱結(jié)構(gòu)面應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，在動(dòng)壓作用下，弱結(jié)構(gòu)面圍巖成為巷道圍巖主要應(yīng)力釋放區(qū)域，結(jié)構(gòu)面出現(xiàn)滑移、錯(cuò)動(dòng)及剪切碎脹變形，進(jìn)而導(dǎo)致圍巖向巷道內(nèi)部空間滑移。

圖3 動(dòng)壓巷道頂板失穩(wěn)過(guò)程

3 動(dòng)壓巷道圍巖控制技術(shù)

根據(jù)動(dòng)壓巷道圍巖失穩(wěn)機(jī)理分析可知，巷道圍巖的穩(wěn)定性的影響因素主要包括：巷道所處的應(yīng)力環(huán)境、圍巖物理力學(xué)性質(zhì)及其結(jié)構(gòu)類型等，故動(dòng)壓巷道圍巖控制技術(shù)應(yīng)在充分考慮影響因素的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究。根據(jù)28620工作面情況，采用的具體技術(shù)參數(shù)如下：

1）高強(qiáng)度、高預(yù)緊力和高剛度錨網(wǎng)索支護(hù)材料。巷道頂板和兩幫使用左旋螺紋鋼錨桿，直徑Φ=22 mm，長(zhǎng)度L=2 400 mm，錨桿托盤(pán)采用規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm的碟形錳鋼托盤(pán)；頂板錨索采用19股鋼絲絞線錨索，直徑Φ=21.8 mm，長(zhǎng)度L=9 300 mm，錨索托盤(pán)采用規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm的碟形錳鋼托盤(pán)；金屬網(wǎng)直徑為6.5 mm，網(wǎng)孔大小為100 mm。

2）合理的錨桿（索）間排距。巷道頂板錨桿間排距為700 mm×800 mm，錨索間排距為1 500 mm×800 mm；巷道兩幫間排距為800 mm×800 mm，錨索間排距為1 300 mm×800 mm。

3）中、快速錨固劑配合使用。巷道頂板及兩幫錨桿采用K2340、Z2360樹(shù)脂錨固劑各一支，頂板錨索采用K2340一支和Z2360三支錨固劑，兩幫錨索使用K2340一支、Z2360兩支錨固劑。

4 支護(hù)效果分析

采用動(dòng)壓巷道圍巖控制技術(shù)對(duì)28620工作面試驗(yàn)巷道段進(jìn)行支護(hù)并進(jìn)行巷道圍巖位移數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示。動(dòng)壓作用下，巷道圍巖變化呈現(xiàn)非對(duì)稱性，巷道圍巖位移總體趨勢(shì)為右?guī)停甲髱停柬敯澹嫉坠?，在監(jiān)測(cè)17 d內(nèi)，巷道圍巖變形趨勢(shì)總體上一致；在17 d至35 d內(nèi)，巷道受工作面推進(jìn)擾動(dòng)，圍巖出現(xiàn)大變形，其中巷道底板變形量最大，頂板次之，巷道右?guī)妥冃瘟孔钚?；在?7 d后，巷道圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定。通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，巷道在動(dòng)壓影響作用下，左右兩幫最大收斂總和為116 mm，未影響到工作面正?；夭勺鳂I(yè)。

圖4 動(dòng)壓影響下巷道圍巖位移量變化曲線圖

5 結(jié)論

在動(dòng)壓巷道圍巖破壞特征分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合鎮(zhèn)城底礦28620工作面圍巖特征，提出動(dòng)壓巷道圍巖控制技術(shù)，該技術(shù)使動(dòng)壓巷道圍巖應(yīng)力與錨桿、索支護(hù)材料提供的預(yù)緊力得到有效耦合，提高了巷道圍巖自身承載強(qiáng)度，有效抑制了巷道在回采期間出現(xiàn)圍巖大變形現(xiàn)象。