綜放工作面沿空留巷圍巖控制技術(shù)研究

劉利民

摘 要：西坡煤業(yè)為了解決5106工作面沿空留巷圍巖控制難題，以5106綜放工作面沿空留巷為研究背景，分析了該工作面沿空留巷頂?shù)装迤茐奶卣?，分析得到了綜放沿空巷道圍巖破壞特征及變形規(guī)律，并采用FLAC 3D數(shù)值模擬的方法對(duì)對(duì)5106工作面沿空留巷支護(hù)技術(shù)方案進(jìn)行分析，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐取得良好效果，巷道圍巖的變形量得到有效控制，保證礦井的安全生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：沿空留巷;圍巖穩(wěn)定性;數(shù)值模擬;桁架錨桿支護(hù)

0 前言

綜采放頂煤開(kāi)采的過(guò)程中，采用沿空留巷方法往往因?yàn)榉彭斆汗に囈约熬蜻M(jìn)采動(dòng)等影響使得巷道變形嚴(yán)重。針對(duì)沿空留巷方法巷道變形大的現(xiàn)狀，礦井往往采用加強(qiáng)支護(hù)的方法提高圍巖的穩(wěn)定性，但是因?yàn)檠乜樟粝镌诜?wù)期間長(zhǎng)期處于高壓力狀態(tài)，使得圍巖控制效果不理想。本文針對(duì)西坡煤業(yè)5106綜放工作面開(kāi)采過(guò)程中的問(wèn)題進(jìn)行了分析研究，通過(guò)數(shù)值模擬得到了沿空留巷應(yīng)力集中區(qū)域，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)加強(qiáng)支護(hù)后，有效的控制的圍巖的變形。

1 礦井概況及巷道圍巖變形規(guī)律分析

西坡煤業(yè)位于山西省呂梁市柳林縣西北部，距柳林縣城28km，生產(chǎn)規(guī)模為120萬(wàn)t/a，5106綜放工作面地表位于西坡村西南部。地表出露地層以Q2+3、N2、P2S2為主。蓋山厚度375～485m，平均425m。工作面軌道巷開(kāi)口于北二左翼泄水巷措施巷，皮帶巷開(kāi)口于北二左翼皮帶下山，工作面西北側(cè)間隔46m、35m、60m分別為北二2#煤左翼泄水巷、北二2#煤左翼泄水巷Ⅱ段5102采空區(qū);工作面軌道巷0～521m、皮帶巷56～586m上部1.9～6.2m為5103采空區(qū)。皮帶巷東南側(cè)間隔21m為5203工作面（待采），其方位暫無(wú)工程。為最大限度的開(kāi)采煤炭，采用無(wú)煤柱的沿空留巷方法進(jìn)行開(kāi)采，在實(shí)際的開(kāi)采過(guò)程中，通過(guò)柔?；炷翆?duì)原巷道進(jìn)行支護(hù)，在綜采放頂煤開(kāi)采的過(guò)程中，隨著工作面的推進(jìn)以及放頂煤開(kāi)采的進(jìn)行，巷道圍巖受力復(fù)雜造成變形。因?yàn)檠乜樟粝锵锏涝谡麄€(gè)服務(wù)周期內(nèi)受到初次開(kāi)挖擾動(dòng)和采動(dòng)影響使得巷道的變形破壞形式特殊。當(dāng)巷道上覆巖層運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈時(shí)，沿空留巷巷道變形復(fù)雜，通過(guò)傳統(tǒng)支護(hù)方式很難維持巷道的穩(wěn)定。

西坡煤業(yè)為更好的掌握5106綜放工作面沿空留巷巷道圍巖的變形特征，對(duì)該工作面沿空留巷巷道進(jìn)行數(shù)值模擬研究，模型的建立以巷道實(shí)際尺寸為準(zhǔn)，模型長(zhǎng)為320m，寬為150m，煤層以及頂?shù)装搴穸裙?5m，煤層埋深450m，基本頂受到的初始應(yīng)力值為12MPa，定義巷道支護(hù)的寬度為1.5m。

為準(zhǔn)確掌握了工作面掘進(jìn)期間巷道圍巖變形規(guī)律和圍巖變形量，采用FLAC 3D數(shù)值模擬軟件對(duì)巷道塑性變形進(jìn)行模擬，通過(guò)模擬得出不同階段進(jìn)風(fēng)巷道塑性分布云圖如圖1所示。

圖Ⅰ為進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)期間巷道塑性分布云圖，從圖中可以看出，在巷道開(kāi)挖的過(guò)程中，巷道明顯受到采動(dòng)影響，因?yàn)槊襟w以及巖層的各向異性使得巷道表面受到不同程度的塑性破壞，因?yàn)檫M(jìn)風(fēng)巷道頂板處還有2.2m的頂煤，使得巷道的塑性破壞明顯，在巷道頂角處出現(xiàn)3m的塑性破壞區(qū)，巷道兩幫出現(xiàn)2.3m的塑性破壞區(qū)。

圖Ⅱ?yàn)楣ぷ髅嫱七M(jìn)50m 處巷道塑性分布云圖，從圖中可以看出，當(dāng)工作面回采距離達(dá)到50m時(shí)，5106工作面兩幫的塑性破壞區(qū)域并沒(méi)有進(jìn)一步的擴(kuò)展，與工作面回采的過(guò)程中巷道兩幫的塑性破壞區(qū)域一樣都為6.3m，而巷道頂板的塑性破壞區(qū)域擴(kuò)大明顯，塑性破壞區(qū)域一直擴(kuò)展到頂板圍巖的深處。綜合分析得知，5106工作面在巷道掘進(jìn)時(shí)期以及工作面回采區(qū)間都受到了較大的影響，明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象使得巷道變形嚴(yán)重，嚴(yán)重影響生產(chǎn)的進(jìn)行，必須進(jìn)行改進(jìn)支護(hù)才能滿足安全生產(chǎn)的需要。

2 沿空留巷圍巖控制關(guān)鍵技術(shù)

西坡煤業(yè)為有效控制5106綜放工作面巷道圍巖變形，結(jié)合礦井的實(shí)際地質(zhì)條件，采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)對(duì)巷道圍巖進(jìn)行控制。聯(lián)合支護(hù)期間支護(hù)未發(fā)生脫錨現(xiàn)象，但是巷道圍巖變形控制效果不佳，上覆巖石裂隙發(fā)育明顯，頂板破碎嚴(yán)重，影響礦井的安全生產(chǎn)。通過(guò)FLAC 3D數(shù)值模擬得到原支護(hù)方案下巷道變形嚴(yán)重，難以保證采掘的繼續(xù)進(jìn)行，為此，采用加強(qiáng)支護(hù)措施來(lái)提高巷道圍巖的穩(wěn)定性和承載能力。

由于5106工作面進(jìn)風(fēng)巷道圍巖變形程度，需采取加強(qiáng)支護(hù)方案對(duì)工作面進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)行加固。鑒于巷道頂板及兩幫破碎程度較大，固采取注漿加固工藝，利用注漿工藝對(duì)頂板中破碎的區(qū)域進(jìn)行注漿，使得破碎巖體、漿液以及完整性巖塊固結(jié)起來(lái)，待漿液固結(jié)后頂板的整體性得到提高，完整的頂板減少了冒頂?shù)仁鹿实陌l(fā)生且具有一定的承載能力;對(duì)于煤幫而言，煤幫兩側(cè)為含有眾多結(jié)構(gòu)面的半堅(jiān)硬煤體，眾多的結(jié)構(gòu)面使得煤體在受力狀態(tài)時(shí)破碎現(xiàn)象嚴(yán)重。在工作面回采的過(guò)程中，進(jìn)風(fēng)巷道在長(zhǎng)期應(yīng)力集中中承載能力逐漸降低，煤體的舊裂隙在應(yīng)力作用下不斷擴(kuò)展發(fā)育，同時(shí)新裂隙增加明顯，新舊裂紋不斷交替發(fā)育，形成肉眼可見(jiàn)的大裂隙，對(duì)兩幫進(jìn)行注漿加固，漿液會(huì)順著裂隙面注入巖體，在漿液的粘結(jié)作用下，裂隙逐漸被填滿，在漿液的粘結(jié)作用下，破碎巖體逐漸固結(jié)起來(lái)，在高壓注漿的作用下，使得漿液可以充滿整個(gè)破碎煤幫，間接的改變了巖體的抗壓強(qiáng)度以及內(nèi)聚力，因此巖層的抗剪切能力提高。注漿工藝使得原有的破碎巖體摩擦力轉(zhuǎn)化為摩擦膠結(jié)雙重作用，從而間接的改變了巖層的力學(xué)性能，提高了巖體的承載能力。注漿工藝完成后，對(duì)頂板以及兩幫分別進(jìn)行桁架錨桿加強(qiáng)支護(hù)，桁架錨桿支護(hù)原理如圖2所示。

3 沿空留巷效果分析

西坡煤業(yè)5106工作面采用沿空留巷圍巖控制技術(shù)后，通過(guò)對(duì)巷道頂板及兩幫加強(qiáng)支護(hù)后，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，5106工作面進(jìn)風(fēng)巷道在1m、3m、5m和6m位置處，巷道頂板的位移量分別為247mm、208mm、132mm和79mm;進(jìn)風(fēng)巷道在1m、3m、5m和6m位置處，煤柱兩幫的位移量分別為321mm、181mm、105mm和79mm。從位移變化圖和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，在巷道1m處圍巖變形量大，說(shuō)明此處的巖層松散，易變形;在進(jìn)風(fēng)巷6m處變形最小，說(shuō)明此處的巖層完整，抗壓能力強(qiáng)、抗剪強(qiáng)度高。由此可知，采用加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)后有效控制巷道圍巖變形，使巷道有足夠的承載能力，保證礦井的安全生產(chǎn)。

4 結(jié)論

西坡煤業(yè)以5106綜放工作面沿空留巷圍巖控制為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)沿空留巷頂板變形破斷規(guī)律的研究，分析得出采用加強(qiáng)支護(hù)和注漿加固工藝，有效解決巷道圍巖變形嚴(yán)重的難題?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，巷道頂板最大移近量為247mm，煤柱兩幫最大移近量為321mm，受回采擾動(dòng)影響巷道仍能保持良好的穩(wěn)定性，留巷效果較好，達(dá)到了安全生產(chǎn)的目的。