趙固二礦孤島工作面區(qū)段平巷圍巖變形規(guī)律研究

武宗剛

（河南能源焦煤公司趙固二礦）

在煤礦開采過(guò)程中，將工作面周圍均為采空區(qū)或工作面區(qū)段回采巷道兩側(cè)均為采空區(qū)的工作面稱為孤島工作面，孤島工作面回采巷道圍巖控制由于應(yīng)力高度集中的影響，在工作面回采時(shí)常具有礦壓顯現(xiàn)劇烈、巷道圍變形大、巷道圍巖難以維護(hù)等特點(diǎn)［1］。為了解決孤島工作面回采巷道圍巖變形機(jī)理不清、支護(hù)困難、支護(hù)成本高等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外的科研工作人員做了大量的研究工作，取得了豐富的研究成果［2-3］。李志華等［4］研究了采空區(qū)下和實(shí)體煤下孤島面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，得出采空區(qū)下孤島面相對(duì)于實(shí)體煤下孤島面礦壓顯現(xiàn)不顯著，采空區(qū)下巷道圍巖變形量約為實(shí)體煤下的一半。于洋等［5］針對(duì)殘留煤柱工作面巷道受地壓影響顯著、布置困難、安全性差等難題，基于工作面周圍采空區(qū)分布形態(tài)差異，將工作面邊界分規(guī)則采空區(qū)邊界、混合采空區(qū)組合邊界和不規(guī)則采空區(qū)邊界，采用數(shù)值分析揭示了不同類別工作面應(yīng)力的分布特征，提出了巷道布置應(yīng)避免應(yīng)力疊加區(qū)和采空區(qū)拐角的拉剪破壞區(qū)，以及建立了回采巷道“3－5－3”分區(qū)控制體系。劉海東等［6］針對(duì)頂板破碎圍巖巷道成型難、容易出現(xiàn)頂板鏤空、離層及下沉等問(wèn)題，分析了巷道變形破壞主要由巷道圍巖強(qiáng)度低、頂板破碎巖體范圍大及不合理巷道支護(hù)參數(shù)導(dǎo)致，提出采用“錨護(hù)噴注”一體化支護(hù)技術(shù)，即超前注漿、巷道噴漿、加長(zhǎng)錨索和滯后注漿相結(jié)合的圍巖加固技術(shù)。廖鵬［7］研究了孤島工作面沿空掘巷的巷道圍巖變形規(guī)律和煤柱內(nèi)的應(yīng)力分布規(guī)律，指出從工作面中間到煤柱邊緣垂直應(yīng)力呈現(xiàn)“馬鞍”形分布，提出東龐礦孤島工作面回采巷道采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)。陳曉祥等［8］通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，分析了孤島工作面兩幫“平移”大變形的機(jī)理，得出巷道圍巖變形機(jī)制是構(gòu)造應(yīng)力型（IIA）和重力型機(jī)制（IIB）+弱層走向型機(jī)制（IIIBA）+層理走向型機(jī)制（IIICA）+隨機(jī)節(jié)理型機(jī)制（IIIE）的復(fù)合變形力學(xué)機(jī)制，據(jù)此提出“攜頂?shù)祝貎蓭汀钡闹ёo(hù)技術(shù)。徐軍等［9］針對(duì)王莊煤礦孤島工作面窄煤柱沿空掘巷圍巖變形破壞嚴(yán)重的問(wèn)題，采用現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)研、礦山壓力監(jiān)測(cè)的方法，分析了此類條件下圍巖變形破壞特征，發(fā)現(xiàn)頂板和煤柱幫是圍巖控制的關(guān)鍵，針對(duì)性地提出“注漿+錨網(wǎng)索+局部加強(qiáng)支護(hù)”的控制技術(shù)。

孤島工作面回采巷道與一般工作面回采巷道相比，巷道掘進(jìn)成型難、易出現(xiàn)頂板離層及下沉事故、支護(hù)困難等特點(diǎn)，嚴(yán)重影響了回采工作面安全和高效生產(chǎn)。因此，研究孤島工作面巷道圍巖支護(hù)技術(shù)對(duì)于煤礦開采具有重要現(xiàn)實(shí)意義。本研究以河南能源焦煤公司趙固二礦二盤區(qū)工作面回采巷道為工程背景，對(duì)孤島工作面回采巷道圍巖變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析孤島工作面回采巷道采用“錨網(wǎng)索+鋼筋梯+槽鋼梁+噴、注漿”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)時(shí)巷道圍巖變形規(guī)律，為孤島工作面的安全回采提供保障。

1 工程概況

趙固二礦位于南鄰西木莊村，二盤區(qū)里側(cè)工作面煤層厚度為5.8～6.5 m，傾角為3°～5°，煤層埋深為629.4～652.9 m，煤層整體走向?yàn)?66°～184°，傾向?yàn)?56°～274°，煤層整體較平緩。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤體結(jié)構(gòu)以原生結(jié)構(gòu)為主，層位穩(wěn)定，屬穩(wěn)定煤層。煤層直接頂厚8.03～17.5 m，以泥巖為主，含少量砂質(zhì)泥巖，屬完整性較好的巖石。老頂厚4.1～5.35 m，中粒砂巖，灰色，成分以石英為主，長(zhǎng)石及暗色礦物次之，層面富集大量白云母片，石英顆粒從上到下由細(xì)變粗。直接底厚10.3～13.04 m，主要為砂質(zhì)泥巖，深灰色，上部產(chǎn)植物化石，下部含白云母碎片和菱鐵質(zhì)，具水平層理。煤層無(wú)爆炸危險(xiǎn)性及不易自燃煤層。掘進(jìn)過(guò)程中揭露2條斷層：①F165正斷層，走向?yàn)?2°，傾向?yàn)?72°，傾角為34°，落差為0.8 m；②F166正斷層，走向?yàn)?17°，傾向?yàn)?07°，傾角為35°，落差為0.9 m，2條斷層對(duì)掘進(jìn)和維護(hù)影響較大。

工作面東北側(cè)為回采結(jié)束的12032工作面，西北側(cè)為二盤區(qū)回風(fēng)上山，西南側(cè)為回采結(jié)束的11072工作面。上順槽為回風(fēng)巷，兼作工作面輔助運(yùn)輸巷道。巷道為矩形，長(zhǎng)度為769.1 m，寬3.8 m，高4.8 m，地面標(biāo)高為71.8～76.7 m，工作面標(biāo)高為-557.6～-576.2 m。

2 孤島工作面回采巷道變形特性及支護(hù)方案

孤島工作面相鄰兩側(cè)均為采空區(qū)，在超前支承壓力疊加作用下，應(yīng)力集中系數(shù)與一般工作面相比較大，巷道圍巖容易受到集中應(yīng)力的作用而出現(xiàn)劇烈破壞，頂板冒落、底鼓和煤壁片幫對(duì)人員及設(shè)備造成危害，嚴(yán)重時(shí)甚至可能造成煤、瓦斯等突出重大安全事故。因此，分析孤島工作面回采巷道圍巖變形特征，采取合理的支護(hù)方案控制圍巖變形，是厚煤層孤島面安全開采的關(guān)鍵因素。

厚煤層開采厚度大，工作面上覆巖層難以形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)形態(tài)，而是不穩(wěn)定的懸臂梁結(jié)構(gòu)。工作面向前推進(jìn)時(shí)，懸臂梁結(jié)構(gòu)因支架工作阻力不足而產(chǎn)生破斷回轉(zhuǎn)變形，高層位的砌體梁結(jié)構(gòu)失去荷載支撐點(diǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致工作面頂板的懸臂梁—砌體梁結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)，上覆巖層產(chǎn)生劇烈活動(dòng)，造成了工作面的劇烈來(lái)壓［10］。

孤島面應(yīng)力集中系數(shù)的數(shù)值較大，工作面回采期間采動(dòng)應(yīng)力是引起工作面圍巖應(yīng)力劇烈變化。由于孤島面上覆巖層關(guān)鍵層斷裂活動(dòng)劇烈，厚煤層工作面回采過(guò)程中產(chǎn)生強(qiáng)烈的礦壓顯現(xiàn)，造成巷道圍巖變形破壞嚴(yán)重。厚煤層孤島工作面回采巷道變形破壞特征表現(xiàn)為巷道掘進(jìn)后頂板深部圍巖早期急速離層，淺部圍巖離層量呈線性增加，底鼓和頂板下沉量較大，兩幫變形量呈現(xiàn)明顯的非對(duì)稱特征，煤柱幫變形量大于實(shí)煤幫變形量。

趙固二礦二盤區(qū)里側(cè)工作面屬于典型的孤島工作面，工作面形成后，采空區(qū)一側(cè)的煤體垂直應(yīng)力高度集中，巷道掘進(jìn)后，與一般巷道相比變形較嚴(yán)重、難維護(hù)和破壞程度高。幫部出現(xiàn)不對(duì)稱的變形，幫部煤巖體在荷載作用下被壓縮并向巷道內(nèi)側(cè)變形，頂板下沉，裂隙發(fā)育加劇，巷道變形速率趨勢(shì)增大、工作面支架壓力劇增。在前人研究的基礎(chǔ)之上，結(jié)合礦井的實(shí)際情況，采用“錨網(wǎng)索+鋼筋梯+槽鋼梁+噴、注漿”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)對(duì)巷道進(jìn)行維護(hù)。

3 支護(hù)方案

3.1 支護(hù)原理

錨網(wǎng)索支護(hù)是指采用錨桿、錨索和網(wǎng)的聯(lián)合支護(hù)，錨桿在支護(hù)結(jié)構(gòu)中起到主要的承載作用，有效防治巷道圍巖出現(xiàn)較大的松動(dòng)破壞；錨索主要起懸吊作用，將下部不穩(wěn)定的巖層錨固在上方穩(wěn)定巖層中，形成整體結(jié)構(gòu)，主動(dòng)支護(hù)圍巖；網(wǎng)主要防治巷道頂部和兩幫表面巖石或煤的冒落，維持巷道圍巖的穩(wěn)定性。噴、注漿能封閉巖（煤）體表面，防止圍巖的風(fēng)化潮解，增強(qiáng)巖（煤）體強(qiáng)度，減少圍巖的強(qiáng)度損失，有利于保持圍巖的強(qiáng)度，是提高松動(dòng)破碎圍巖強(qiáng)度的有效手段。

巷道掘進(jìn)過(guò)程中首先先將金屬網(wǎng)、鋼筋梯鋪到臨時(shí)支護(hù)的頂梁架上，將臨時(shí)支護(hù)頂梁架伸至頂板壓實(shí)，網(wǎng)要鋪平鋪展，然后開始打錨索，待打錨索結(jié)束后將網(wǎng)補(bǔ)聯(lián)好，采用錨網(wǎng)索對(duì)巷道圍巖進(jìn)行初次支護(hù)，經(jīng)過(guò)合適的時(shí)間后再對(duì)巷道進(jìn)行壁后注漿并再次錨噴。

3.2 支護(hù)技術(shù)參數(shù)

錨索規(guī)格為17.8 mm×4 250 mm；頂板錨索間排距為800 mm×1 000 mm，托盤為12 mm×200 mm×200 mm，與鋼筋梯配合使用，鋼筋梯長(zhǎng)度為4 960 mm。幫錨索間排距為900 mm×1 000 mm，山墻錨索間排距為900 mm×900 mm，錨固長(zhǎng)度不小于1 500 mm，托盤規(guī)格：長(zhǎng)2 860 mm的鋼筋梯與12 mm×200 mm×200 mm鋼板配合使用，錨索預(yù)緊力不低于150 kN，張拉泵壓力表讀數(shù)不小于38.5 MPa。

頂板槽鋼梁錨索規(guī)格為21.6 mm×8 250 mm，間排距為1 300 mm×1 000 mm，錨固長(zhǎng)度不小于2 000 mm，托盤規(guī)格為4 500 mm的槽鋼梁與12 mm×120 mm×120 mm和12 mm×80 mm×80 mm鋼板配合使用，錨索預(yù)緊力不低于350 kN，張拉泵壓力表讀數(shù)不小于49.5 MPa。

金屬網(wǎng)片使用6 mm鋼筋焊接，網(wǎng)幅為1 100 mm×1 900 mm，網(wǎng)片搭接100 mm，使用14#電鍍鋅絲綁扎牢固，頂部四角綁扎，幫部對(duì)角綁扎。

噴漿厚度為100 mm，鋼棚卡纜或連接板處需要加強(qiáng)封閉的區(qū)域，厚度可適當(dāng)調(diào)整，強(qiáng)度等級(jí)為C25。噴漿時(shí)嚴(yán)格按照配合比進(jìn)行拌料，配合比（質(zhì)量比）為水泥∶混合料=1∶4，水灰比（質(zhì)量比）為0.4～0.5。材料為水泥（42.5普通硅酸鹽水泥）、中粗砂、碎石（粒徑3～5 mm）、速凝劑（782-3型高效速凝劑，摻量為水泥用量的2.5%～4%）。

注漿漿液配合比為水∶水泥＝1∶（0.6～0.8），水泥為PO42.5普通硅酸鹽水泥，注漿管規(guī)格為25 mm×2 000 mm，在距螺紋口800 mm處依次按150 mm×150 mm，從2個(gè)方向鉆出2組規(guī)格為6～8 mm過(guò)漿孔?，F(xiàn)場(chǎng)必須配備水灰比標(biāo)尺，注漿終壓不小于3 MPa。注漿孔深4 000 mm，注漿孔間排距為1 600 mm×1 600 mm。中線兩側(cè)800 mm位置各布置1個(gè)注漿孔，然后依次按照間距1 600 mm布置注漿孔。注漿孔間排距誤差為±100 mm，注漿管外露不大于80 mm。注漿孔角度：兩幫注漿孔下扎30°～45°，其余與巷壁夾角不小于75°。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及結(jié)果分析

工作面開始回采后，在工作面前方布置布置10個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距為10 m，從回采工作面開始，將測(cè)點(diǎn)編號(hào)為1#～10#。每個(gè)測(cè)點(diǎn)設(shè)置3個(gè)觀測(cè)斷面，每組監(jiān)測(cè)斷面間距不大于2排錨索距離。工作面檢修結(jié)束后，采煤機(jī)開機(jī)前對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行巷道圍巖變形測(cè)量，采用“十”字觀測(cè)法，用鋼尺測(cè)量巷高、巷寬變化情況，觀測(cè)巷道頂?shù)装濉蓭鸵平?，每天測(cè)量1次，監(jiān)測(cè)時(shí)間為60 d。對(duì)2個(gè)觀測(cè)斷面所測(cè)得的值取平均值進(jìn)行記錄。

4.1 頂?shù)装逡七M(jìn)量監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

利用Origin數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)頂?shù)装逡七M(jìn)量所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其結(jié)果見圖1、圖2。由圖1和圖2可知，測(cè)點(diǎn)距回采工作面越遠(yuǎn)，巷道頂?shù)装逡七M(jìn)量越小，工作面從開切眼開始回采時(shí)，各測(cè)點(diǎn)頂?shù)装逡七M(jìn)量較小，主要是由于巷道圍巖未受采動(dòng)的影響。隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，距工作面相同距離的測(cè)點(diǎn)頂?shù)装逡七M(jìn)量逐漸增大，距離回采工作面越近，頂?shù)装逡七M(jìn)量越大，增速也越快。在工作面推進(jìn)的前5 d，1#～5#測(cè)點(diǎn)頂?shù)装逡七M(jìn)量增速最快，6#～10#測(cè)點(diǎn)頂?shù)装逡七M(jìn)量呈線性緩慢增加，說(shuō)明1#～5#測(cè)點(diǎn)受采動(dòng)影響較大，6#～10#測(cè)點(diǎn)受采動(dòng)影響較大。當(dāng)工作面推進(jìn)50 d后，各測(cè)點(diǎn)增速較小，說(shuō)明此時(shí)頂?shù)装逡七M(jìn)量受采動(dòng)影響已經(jīng)達(dá)到最大化。

由圖1可知，當(dāng)測(cè)點(diǎn)距回采工作面距離為5 m時(shí)，巷道頂?shù)装迨懿蓜?dòng)影響較大，頂?shù)装逡七M(jìn)量在第60 d時(shí)達(dá)到230 mm，與第1 d相比增加了178 mm，說(shuō)明此處巷道圍巖穩(wěn)定性受采動(dòng)影響較大。當(dāng)測(cè)點(diǎn)距離為70 m時(shí)，與第1 d相比，第60 d頂?shù)装逡七M(jìn)量增加了80 mm，頂?shù)装逡七M(jìn)量變化較小，由此可知，當(dāng)測(cè)點(diǎn)與回采工作面距離大于70 m時(shí)，巷道圍巖穩(wěn)定性受采動(dòng)影響較小。

4.2 兩幫移進(jìn)量監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

按上述方法對(duì)兩幫移進(jìn)量所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其結(jié)果見圖3和圖4。由圖3和圖4可知，測(cè)點(diǎn)距回采工作面越遠(yuǎn)，兩幫移進(jìn)量越小，工作面開始回采時(shí)，各測(cè)點(diǎn)兩幫移進(jìn)量較小，隨著工作面的回采，兩幫移進(jìn)量逐漸增大，距離回采工作面越近，兩幫移進(jìn)量越大，增速也越快。在工作面推進(jìn)的前10 d，1#～7#測(cè)點(diǎn)兩幫移進(jìn)量增速最快，8#～10#測(cè)點(diǎn)兩幫移進(jìn)量呈線性緩慢增加，說(shuō)明3個(gè)測(cè)點(diǎn)受采動(dòng)影響較小。工作面回采第10 d以后，各測(cè)點(diǎn)增速越來(lái)越小，最后趨于線性緩慢增加，1#測(cè)點(diǎn)兩幫移進(jìn)量在第60 d達(dá)到最大值317 mm。

5 結(jié)論

（1）在工作面開始回采時(shí)，由于巷道圍巖未受采動(dòng)影響，頂?shù)装搴蛢蓭鸵七M(jìn)量較??；隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，巷道頂?shù)装搴蛢蓭鸵七M(jìn)量先快速增加，后緩慢增加。

（2）1#～5#測(cè)點(diǎn)頂?shù)装迨懿蓜?dòng)影響較大，影響范圍為0～50 m，1#～7#測(cè)點(diǎn)兩幫受采動(dòng)影響較大，影響范圍為0～70 m。

（3）頂?shù)装逡七M(jìn)量最大值為230 mm，兩幫移進(jìn)量最大值為317 mm，孤島工作面巷道變形主要以兩幫變形為主，最大變形量在允許的范圍內(nèi)，“錨網(wǎng)索+鋼筋梯+槽鋼梁+噴、注漿”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)能有效控制巷道圍巖的大變形。