煤礦井下巷道圍巖控制方案研究

張清山

（山西晉煤集團(tuán)澤州天安煤業(yè)有限公司， 山西 晉城 048000）

隨著自動(dòng)化程度高的采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)的不斷投入使用，煤礦井下的綜采作業(yè)效率和巷道掘進(jìn)效率獲得了空前的提升。綜采過后的沿空留巷處由于有預(yù)設(shè)煤柱的應(yīng)力集中，而且承受低壓沖擊大等原因，極易產(chǎn)生垮塌，影響煤礦井下的綜采作業(yè)安全性，因此通常采用一系列支護(hù)方案對巷道圍巖進(jìn)行支護(hù)，避免發(fā)生垮落事故。目前煤礦井下最常用的巷道支護(hù)方案是隨著井下綜采作業(yè)面的回采，不斷的對采空區(qū)一側(cè)的巷道圍巖進(jìn)行支護(hù)，將其作為綜采面的物料運(yùn)輸通道使用[1]。但隨著井下綜采作業(yè)效率的不斷提升，傳統(tǒng)的巷道圍巖控制方案暴露出施工工藝復(fù)雜、效率低下、圍巖控制效果差的缺陷，并且由于井下回采率的不提升，使井下的預(yù)留煤柱量不斷減少，當(dāng)發(fā)生礦壓波動(dòng)時(shí)，極易導(dǎo)致圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力變形、垮塌，給煤礦井下的綜采作業(yè)安全帶來了嚴(yán)重的隱患。因此本文提出了一種新的井下巷道圍巖控制方案，該工藝技術(shù)方案具有操作流程少、支護(hù)速度快、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，顯著的提升了煤礦井下巷道圍巖的支護(hù)速度和圍巖控制的可靠性，目前該技術(shù)方案已得到了推廣，取得了良好的應(yīng)用效果。

1 井下巷道應(yīng)力分布研究

煤礦井下巷道在上側(cè)區(qū)段的綜采面回采之后，頂板區(qū)域的巖層開始進(jìn)入到回轉(zhuǎn)下沉運(yùn)動(dòng)，當(dāng)發(fā)生回轉(zhuǎn)后，其巷道頂部巖層的應(yīng)力平衡狀態(tài)將被破壞，特別是當(dāng)在綜采過程中出現(xiàn)礦壓時(shí)，這種現(xiàn)象將表現(xiàn)地更為明顯，導(dǎo)致巷道頂板內(nèi)的應(yīng)力將重新進(jìn)行平衡分布，使巷道圍巖的受力情況也發(fā)生改變。在巷道頂板和圍巖內(nèi)的應(yīng)力情況重新分布的過程中，巷道圍巖的支撐壓力的最大值出現(xiàn)的位置將朝著采空區(qū)的一側(cè)（B 區(qū)）變化，對巷道的巖梁擠壓（C 區(qū)），使其發(fā)生受力破壞，進(jìn)一步地壓迫巷道圍巖，導(dǎo)致圍巖處出現(xiàn)垮落，巷道頂板的支撐壓力同時(shí)向煤層深處變化，在巖壁內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力集中。隨著圍巖的垮落及巖壁內(nèi)應(yīng)力的重新趨于平衡，圍巖將進(jìn)一步被壓實(shí)，形成一種新的穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)巷道頂板礦壓波動(dòng)超過一定限度時(shí)，將進(jìn)一步垮落并形成新的平衡，煤礦井下巷旁支護(hù)圍巖結(jié)構(gòu)如圖1 所示[2]。

圖1 煤礦井下巷旁支護(hù)圍巖結(jié)構(gòu)模型

由于煤礦井下的地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，巷道圍巖支護(hù)受礦壓波動(dòng)和巖層移運(yùn)影響大，因此要確保井下巷道圍巖的支護(hù)可靠性，需要綜合采用多重方案相互組合，才能達(dá)到良好的控制效果。

2 液壓支架臨時(shí)支護(hù)

煤礦井下巷道頂板在礦壓作用下會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)烈的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致井下巷道采空區(qū)域的頂板垮塌，但在頂板垮塌的初期，無法對巷道的覆巖產(chǎn)生有效的支撐作用，此時(shí)極易導(dǎo)致巷道圍巖的受力垮落，因此必須對巷道采空區(qū)側(cè)進(jìn)行輔助加強(qiáng)，直到礦壓波動(dòng)結(jié)束、頂板完全垮落并形成穩(wěn)固的支護(hù)結(jié)構(gòu)。在傳統(tǒng)的支護(hù)方案中對采空區(qū)頂板的支護(hù)采用型鋼支護(hù)，但在礦壓波動(dòng)較大的情況下，一次來壓就足以摧毀型鋼支護(hù)體（如圖2 所示），造成支護(hù)失效。

圖2 型鋼支護(hù)斷裂示意圖

在經(jīng)過對多種支護(hù)方式的支護(hù)效果、支護(hù)效率和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行全面分析的基礎(chǔ)上，本文提出了采用高阻液壓支架臨時(shí)支護(hù)的方案[3]，同時(shí)在支護(hù)過程中和支柱單體進(jìn)行相互配合。利用高阻液壓支架支護(hù)力強(qiáng)、支護(hù)范圍大的特性，能夠有效的抵消礦壓波動(dòng)下對頂板的沖擊載荷，確保頂板的可靠性。當(dāng)圍巖受力時(shí)巷道的頂板和底板分別產(chǎn)生下沉和鼓起運(yùn)動(dòng)，但在液壓支架的支護(hù)下能夠有效的降低頂板和底板的變形量，減少對圍巖變形的影響，確保圍巖控制的可靠性，井下液壓支架臨時(shí)支護(hù)和支柱單體支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 液壓支架臨時(shí)支護(hù)和支柱單體支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

3 圍巖支柱單體密集支護(hù)方案

為了提高煤礦井下支護(hù)作業(yè)的便捷性，本文提出將傳統(tǒng)的整體式的圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)，更改為單體支柱的形式，這樣可以提前將單體支柱運(yùn)送到巷道內(nèi)，實(shí)現(xiàn)無等待作業(yè)，能夠極大的提升煤礦井下圍巖支護(hù)的效率和可靠性。

在進(jìn)行支柱單體支護(hù)時(shí)，采用了密集支護(hù)的方案，以確保在礦壓波動(dòng)下立柱的支護(hù)可靠性。當(dāng)巷道內(nèi)回采完成后，沿著預(yù)爆破端口設(shè)置2 組支柱單體，為了避免支護(hù)過程中支柱在礦壓波動(dòng)下受力突然降低時(shí)的傾倒，在支柱的上側(cè)均設(shè)置了一組木塊，用于增加支柱的支護(hù)阻力[4]。在密集單體支柱的作用下能夠?yàn)橄锏理敯逄峁┹^大的切頂阻力，同時(shí)使垮落的巖層往采空區(qū)深處垮落，避免對圍巖產(chǎn)生向內(nèi)的擠壓應(yīng)力。同時(shí)在靠近垮落縫的位置設(shè)置圓鋼梁架，配合金屬網(wǎng)形成擋矸支護(hù)結(jié)構(gòu)，支柱單體和圓鋼之間采用錯(cuò)間隔布置，在金屬防護(hù)網(wǎng)的配合下能夠顯著的降低巖層垮落時(shí)的矸石涌入巷道內(nèi)，從而確保圍巖支護(hù)的可靠性，當(dāng)巖層完全垮落形成穩(wěn)定的壓實(shí)體后，再將多層支柱單體進(jìn)行回撤，只保留最內(nèi)側(cè)一層支柱，實(shí)現(xiàn)了對支柱的重復(fù)利用，降低了支護(hù)時(shí)的成本，支柱單體支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 多排單支柱單體支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

5 結(jié)論

針對現(xiàn)有的煤礦井下巷道圍巖控制方案所存在的施工工藝復(fù)雜、效率低下、圍巖控制效果差的現(xiàn)狀，本文提出了一種新的井下巷道圍巖控制方案，以巷道采空區(qū)的頂板卸壓機(jī)制為基礎(chǔ)，建立了一個(gè)新的巷道圍巖支護(hù)體系，對圍巖支柱單體密集支護(hù)和液壓支架、單體組合支護(hù)方案進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：

1）液壓支架臨時(shí)支護(hù)和支柱單體支護(hù)聯(lián)合作用下，能夠有效的降低頂板和底板的變形量，有效降低對圍巖變形的影響，確保圍巖控制的可靠性。

2）圍巖支柱單體密集支護(hù)方案能夠?yàn)橄锏理敯逄峁┹^大的切頂阻力，同時(shí)使垮落的巖層往采空區(qū)深處垮落，避免對圍巖產(chǎn)生向內(nèi)的擠壓應(yīng)力，且當(dāng)巖層完全垮落形成穩(wěn)定的壓實(shí)體后，再將多層支柱單體進(jìn)行回撤，只保留最內(nèi)側(cè)一層支柱，實(shí)現(xiàn)了對支柱的重復(fù)利用，降低了支護(hù)時(shí)的成本。