回采巷道圍巖變形控制技術(shù)研究

＊李立恭

（山西焦煤汾西礦業(yè)香源煤業(yè) 山西 030500）

前言

隨著煤礦井下開采深度的不斷增加，礦山壓力也隨之越來越大，當(dāng)巷道圍巖所承受的壓應(yīng)力、剪應(yīng)力大于圍巖自身的強(qiáng)度，巷道圍巖則會(huì)處于破裂狀態(tài)，出現(xiàn)大量變形，給巷道支護(hù)帶來較大困難，因此，巷道在礦壓顯現(xiàn)明顯時(shí)，及時(shí)采取有效的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施，對(duì)于回采巷道而言是至關(guān)重要的。

1.工作面基本概況

3205綜采工作面井下位于三采區(qū)北翼，東面為3203工作面（已采），北面為井田邊界保安煤柱，南面為三采區(qū)開拓大巷煤柱，西面為3207運(yùn)巷（停掘），上覆為3205保護(hù)層工作面（已采），工作面標(biāo)高為675～738m。綜采工作面對(duì)應(yīng)地面位置：位于百草梁的西翼，東距百草梁400m，西距玉尖溝270m，北距關(guān)帝廟460m，南距馬莊村800m，井田內(nèi)溝谷縱橫地形復(fù)雜，溝谷縱橫地面部分地段被第四系黃土覆蓋，除部分果樹和農(nóng)田外，無其它建筑物設(shè)施。地面標(biāo)高為1316.7～1553.9m，蓋山厚度為609.8～864.5m。3205綜采工作面開采2#煤層，2#煤位于山西組上部，煤厚在0.5～2.2m之間，平均厚度1.8m，屬中厚煤層，是井田較穩(wěn)定地段，煤層結(jié)構(gòu)簡單，局部含一層夾矸，工作面穩(wěn)定可采，黑色，屬中灰、低中硫的瘦煤、焦煤，煤層傾角為4°～20°，平均傾角13°，工作面走向長1595m，傾斜長178m。工作面采用一次采全高走向長壁后退式綜合機(jī)械化采煤法，全部垮落法處理采空區(qū)頂板如表1所示。

表1 工作面煤層頂?shù)装迩闆r說明表

老底 砂巖、砂質(zhì)頁巖 2.1灰黑色，中細(xì)粒砂巖，堅(jiān)硬，普氏硬度8，抗壓強(qiáng)度39.2MPa，水平層理

2.材、運(yùn)巷超前支護(hù)及端頭支護(hù)方式

(1)材、運(yùn)兩巷超前支護(hù)

①超前支護(hù)距離：兩巷超前支護(hù)距離從工作面煤壁向外支護(hù)范圍不得小于50m。

②兩巷超前支護(hù)形式：材、運(yùn)巷因巷道礦壓顯現(xiàn)，因此采用單體液壓支柱配合3.2mπ型梁進(jìn)行“一梁三柱”垂直巷道布置的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施，排距1.0m，兩側(cè)支柱距梁頭0.1m且支設(shè)在管路內(nèi)側(cè)，中間單體液壓支柱緊貼皮帶架管布置；進(jìn)入超前支護(hù)段后，必須對(duì)兩巷所有支柱進(jìn)行二次補(bǔ)液，確保支柱初撐力不小于11.4MPa，并加強(qiáng)超前支護(hù)段巷道礦壓觀測(cè)，如頂板礦壓顯現(xiàn)明顯，頂梁彎曲變形量大于100mm時(shí)，及時(shí)將超前支護(hù)排距縮小為0.5m；運(yùn)巷超前支護(hù)轉(zhuǎn)載機(jī)側(cè)，需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況中柱靠近轉(zhuǎn)載機(jī)進(jìn)行支設(shè)，同時(shí)保證人行道寬度不小于0.8m，當(dāng)受皮帶機(jī)尾、轉(zhuǎn)載機(jī)影響未能構(gòu)成“一梁三柱”支護(hù)地點(diǎn)，可使用“一梁二柱”進(jìn)行支護(hù)，但同時(shí)需縮小排距為0.5m。

(2)材、運(yùn)兩巷端頭支護(hù)

①材巷端頭采用3.6m的π型梁配合單體液壓支柱南北方向構(gòu)成“一梁三柱”對(duì)梁邁步式及配合點(diǎn)柱進(jìn)行支護(hù)。梁錯(cuò)距0.8m，異步梁中心距0.2m，支柱距梁頭0.2m，中柱距后柱1.6m（現(xiàn)場(chǎng)受設(shè)備影響時(shí)，支柱間距可適當(dāng)調(diào)整）。工作面安裝時(shí)材巷端頭支護(hù)段預(yù)留寬度為1.4m，靠近支架的對(duì)梁與支架間距不得超過0.5m。工作面安裝完成及后期回采過程中，根據(jù)端頭支護(hù)邁步梁距幫距離，針對(duì)不同寬度范圍采取不同方式進(jìn)行支護(hù)：邁步梁距東側(cè)煤幫寬度W≤0.5m時(shí)，可不進(jìn)行支護(hù)；當(dāng)0.5m＜W≤1.2m時(shí)，沿巷道走向支設(shè)一排貼幫戴帽點(diǎn)柱，點(diǎn)柱距邁步梁0.7m，末端第一根支柱與邁步梁超前梁后柱對(duì)齊，柱距0.8m（頂板破碎時(shí)縮小柱距為0.4m），柱帽垂直巷道布置，柱帽選用規(guī)格為φ200/2×600mm棚板或長度為600mm的短π梁，點(diǎn)柱隨工作面每推進(jìn)循環(huán)支設(shè)；當(dāng)1.2m＜W≤1.5m時(shí)，采用順巷道方向增設(shè)一對(duì)邁步梁支護(hù)，邁步梁同步梁中心距0.75m，支護(hù)方式與原邁步梁支護(hù)方式相同。

②運(yùn)巷端頭支護(hù)方式為：隨工作面推進(jìn)向留巷內(nèi)推移，原支護(hù)π型梁方向不變。

A.運(yùn)巷端頭支護(hù)π型梁梁頭未能被1#支架頂梁挑住時(shí)，正常進(jìn)行“一梁三柱”支設(shè)，當(dāng)受設(shè)備影響，操作空間不足時(shí)，靠近支架側(cè)單體支柱采用抬棚方式進(jìn)行支護(hù)，對(duì)梁距離端頭支護(hù)梁頭0.2m處進(jìn)行抬棚，每根抬棚梁端0.2m處支設(shè)一根支柱，中間支設(shè)一根支柱，構(gòu)成“一梁三柱”；1#支架距原巷道支護(hù)π梁東側(cè)梁頭寬度W≤0.5m時(shí)，可不進(jìn)行支護(hù)；當(dāng)0.5m＜W≤1.2m時(shí)，沿巷道走向支設(shè)一排貼幫戴帽點(diǎn)柱，點(diǎn)柱距原巷道支護(hù)π梁東側(cè)梁頭0.7m，末端第一根支柱與支架切頂線對(duì)齊，柱距0.8m（頂板破碎時(shí)縮小柱距為0.4m），柱帽垂直巷道布置，柱帽選用規(guī)格為φ200/2×600mm棚板或長度為600mm的短π梁，點(diǎn)柱隨工作面每推進(jìn)循環(huán)支設(shè)；當(dāng)1.2m＜W≤1.5m時(shí)，采用順巷道方向增設(shè)一對(duì)邁步梁支護(hù)，邁步梁同步梁中心距0.75m，支護(hù)方式與機(jī)尾邁步梁支護(hù)方式相同，現(xiàn)場(chǎng)受設(shè)備等因素影響時(shí)，支柱間距可做適當(dāng)調(diào)整。對(duì)梁采用3.6mπ型梁構(gòu)成，兩根梁中心距離為0.2m，邁步步距為0.8m，每推移一次機(jī)頭進(jìn)行一次邁步。

B.當(dāng)運(yùn)巷端頭支護(hù)π型梁梁頭位于支架頂梁上時(shí)，利用1#支架頂梁挑住π型梁梁頭，采用“一梁二柱”支護(hù)。

③工作面回采過程中機(jī)尾支架縮回造成空頂時(shí)，空頂區(qū)域采用邁步梁進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)形式和端頭支護(hù)相同，在邁步梁頂部順工作面煤壁鋪設(shè)金屬網(wǎng)，金屬網(wǎng)鋪入端頭第一個(gè)支架頂梁至少0.5m，與原巷道頂網(wǎng)搭接不小于0.3m。金屬網(wǎng)的長短邊搭接不小于0.2m，聯(lián)網(wǎng)扣距不得大于0.2m。

④超前支護(hù)至端頭段空頂支護(hù)。工作面推進(jìn)過程中，當(dāng)巷道端頭支護(hù)與超前支護(hù)連接處的距離超過500mm時(shí)，需要采取加強(qiáng)支護(hù)措施，即支設(shè)帶帽點(diǎn)柱，柱帽規(guī)格為1m的短π型梁或棚板，柱距1.5m，靠幫點(diǎn)柱距幫0.8m，π型梁順工作面布置。

3.巷道礦壓顯現(xiàn)及補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施

(1)礦壓顯現(xiàn)原因分析

①工作面埋藏較深，蓋山厚度為609.8～864.5m，屬于典型的深井高地壓巷道，工作面地質(zhì)構(gòu)造變得復(fù)雜、自重應(yīng)力增大。在深部地應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力及工作面回采擾動(dòng)的作用下，呈現(xiàn)顯著的高應(yīng)力圍巖大變形特征，在工作面回采過程中還伴隨動(dòng)力擾動(dòng)型沖擊破壞特征，如巷道圍巖大變形、沖擊礦壓及其他異常礦壓顯現(xiàn)等，其中部分巷道頂、底、幫最大變形量分別達(dá)到1.5m、1.5m和0.8m，對(duì)礦井安全高效開采帶來極大的困難。

②地應(yīng)力測(cè)試。工作面最大主應(yīng)力分別為17.11MPa、17.53MPa和12.01MPa，最大主應(yīng)力的方向集中在NE92°～NW132°，傾角集中在0.5°～41°之間，最大主應(yīng)力與水平面夾角較小，以水平應(yīng)力場(chǎng)為主。

③工作面多采用“Y”型通風(fēng)沿空留巷布置方式，3205材巷為上一個(gè)工作面3203工作面留巷。受掘進(jìn)動(dòng)壓、回采超前動(dòng)壓擾動(dòng)影響，沿空巷道要經(jīng)受礦壓分布，更嚴(yán)重的是要經(jīng)受回采后側(cè)礦壓的又一次劇變動(dòng)壓影響，難以保證留巷圍巖穩(wěn)定性，局部巷道下沉量達(dá)1.5m，局部兩幫收縮量達(dá)1.6m。而沿空留巷，極其困難，巷道反復(fù)維修量大，安全性差。

④受3205工作面采動(dòng)及上部保護(hù)層采空區(qū)影響，現(xiàn)3205工作面材、運(yùn)巷部分地段應(yīng)力集中，礦壓顯現(xiàn)明顯，出現(xiàn)頂板破碎、下沉、底鼓、錨桿（索）鋼梁斷裂、頂幫出現(xiàn)網(wǎng)包等現(xiàn)象，為加強(qiáng)兩巷頂板安全管理，需對(duì)3205材、運(yùn)巷進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

(2)支護(hù)方案

①對(duì)于頂幫破碎形成網(wǎng)包區(qū)域進(jìn)行抖包，對(duì)于局部頂板破碎區(qū)域或失效頂幫錨桿及錨索區(qū)域，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)頂板破碎情況采取支設(shè)帶帽點(diǎn)柱或“單體支柱配合鋼梁”架棚方式進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)；②對(duì)兩巷頂板破碎、下沉或離層量達(dá)100mm區(qū)域，先支設(shè)點(diǎn)柱全區(qū)域臨時(shí)支護(hù)，然后按照由北向南、由嚴(yán)重到一般程度的順序采用“單體支柱配合鋼梁”架棚方式進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)；③將運(yùn)巷內(nèi)翻滾、彎曲嚴(yán)重及失去支護(hù)效果的U型棚更換為“單體支柱配合鋼梁”架棚方式進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)；④對(duì)采用“單體支柱配合鋼梁”架棚方式進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)地段仍出現(xiàn)礦壓顯現(xiàn)明顯、鋼梁彎曲翻滾等現(xiàn)象，應(yīng)縮小支護(hù)排距（排距0.4～0.5m）并采取注漿措施；⑤前期嚴(yán)格按照以上4種支護(hù)方案進(jìn)行維護(hù)。在維護(hù)期間和維護(hù)結(jié)束后，發(fā)現(xiàn)此區(qū)域頂板破碎程度加重或此區(qū)域外頂板破碎時(shí)，要及時(shí)按照破碎程度采取以上對(duì)應(yīng)的加強(qiáng)支護(hù)措施施工。

(3)支護(hù)參數(shù)

①支設(shè)帶帽點(diǎn)柱

使用DW-28型單體支柱配合長度為1.0mπ型梁進(jìn)行支設(shè)。支設(shè)位置及單排數(shù)量根據(jù)頂板破碎地點(diǎn)及范圍確定，可支設(shè)在西側(cè)、中部或東側(cè)。東側(cè)幫及中部點(diǎn)柱緊貼皮帶架管支設(shè)，西側(cè)支柱距離軌道不小于0.5m。支設(shè)時(shí)，π型梁軸線垂直于巷道軸線布置，支柱支設(shè)于π型梁正中間位置。順巷支設(shè)點(diǎn)柱的南北間距為1.0m。

②“單體支柱配合鋼梁”架棚支護(hù)

A.使用DW-28型單體支柱配合長度為3.2m（材巷使用）/3.6m（運(yùn)巷使用）π型梁構(gòu)成“一梁三柱”支護(hù)。π型梁軸線垂直于巷道軸線布置，支柱距梁頭0.2m，東側(cè)幫及中部點(diǎn)柱緊貼皮帶架管支設(shè)，西側(cè)支柱距離軌道不小于0.5m，棚距1.0m，若礦壓顯現(xiàn)明顯時(shí)，縮小排距為0.4～0.5m。

B.巷道超高或頂板不平時(shí)，頂梁上部用棚板（規(guī)格φ220/2×1400mm），施工“#”字木垛勾頂，棚板間距為1.0m，木垛要接頂嚴(yán)密，勾緊背實(shí)。勾頂區(qū)域π型梁必須設(shè)防墜器，即在勾頂前，先使用雙股10#鉛絲將距離π梁兩端0.5m處分別吊掛在頂網(wǎng)上。

③注漿加固施工參數(shù)

A.布孔參數(shù)：在礦壓顯現(xiàn)明顯段以90°方位、與水平夾角75°開孔，每隔4m施工一個(gè)注漿孔，孔深為2500mm，采用注漿封孔器進(jìn)行封孔，孔內(nèi)封孔位置距孔口1m。

B.注漿材料配比：采用超強(qiáng)礦用無機(jī)加固材料，水灰比為0.3:1。

C.氣動(dòng)注漿泵型號(hào)：2ZBQ-50/19（壓力要求3～5MPa）、氣動(dòng)攪拌桶型號(hào)：JQW-250S、風(fēng)動(dòng)錨桿鉆機(jī)：φ32鉆頭、動(dòng)力參數(shù)：礦井壓風(fēng)0.4～0.8MPa；采用錨桿機(jī)開孔進(jìn)行礦用新型無機(jī)加固材料注漿，開孔直徑φ32mm。

④替換U型棚支護(hù)

替換U型棚支護(hù)前，首先，在距需替換U型棚兩側(cè)0.5m分別使用3.6mπ型梁“一梁三柱”加強(qiáng)支護(hù)，然后，在靠近U型棚梁下方距棚腿0.5m處各支設(shè)一根點(diǎn)柱，用另一根單體液壓支柱以70°左右的傾角頂在棚腿上方的棚口處，使棚腿上端向煤幫移動(dòng)脫離棚梁，人工挖底回收棚腿，最后，回收棚梁，回收棚梁完成后，在原U型棚位置“一梁三柱”架設(shè)3.6mπ型梁。

⑤吊包的處理方法。對(duì)于垂距大于0.1m，長度小于2.5m的吊包進(jìn)行抖包，先在吊包南北兩側(cè)分別支設(shè)帶帽點(diǎn)柱，再將吊包下部的金屬網(wǎng)剪開一個(gè)不大于200mm長的縫，使用長撬棍將吊包上部活矸、碎渣進(jìn)行挑落，再進(jìn)行補(bǔ)聯(lián)網(wǎng)。聯(lián)網(wǎng)完成后，使用單體支柱配合π型梁對(duì)抖包處進(jìn)行支護(hù)，上部使用棚板接頂。對(duì)于頂板破碎嚴(yán)重、破碎頂板高度超過0.5m的則不進(jìn)行抖包，進(jìn)行架棚支護(hù)。

⑥頂幫網(wǎng)的補(bǔ)聯(lián)方法

A.對(duì)巷內(nèi)所有頂幫網(wǎng)破口采用菱形金屬網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)聯(lián)網(wǎng)。補(bǔ)網(wǎng)前必須先由有經(jīng)驗(yàn)的人員利用長撬棍對(duì)破口內(nèi)活矸、活渣挑落，再進(jìn)行補(bǔ)聯(lián)網(wǎng)。

B.要求：在原頂幫金屬網(wǎng)破口處重新鋪設(shè)金屬網(wǎng)，新網(wǎng)與舊網(wǎng)搭接不小于100mm，并采用16#鉛絲雙股對(duì)折進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，扭結(jié)圈數(shù)不少于3圈，扣距不大于0.1m。

⑦更換損壞或壓死的支柱方法

逐根進(jìn)行替換，按照先支后回的方法作業(yè)。替柱前，先在同一根梁下（距離將要替換的支柱500mm處），先支設(shè)一根完好的支柱，拴好防倒鏈，降下壞支柱，未能正常實(shí)現(xiàn)降柱的支柱，先完善其防倒鏈，使用挖柱窩的方式進(jìn)行回收。然后在回收支柱的位置新支設(shè)支柱，最后再回收臨時(shí)支柱。

⑧更換斷裂、彎曲、翻滾的頂梁方法

逐架進(jìn)行更換，按照先支后回的方法作業(yè)。回收壞梁前，先在同一根下（距離將要替換的頂梁200mm處），先平行支設(shè)一架完好的支架。支護(hù)參數(shù)與原支護(hù)一致，更換損壞的頂梁后按照原支護(hù)參數(shù)及要求支護(hù)，最后回撤臨時(shí)支架。

4.結(jié)論

通過對(duì)3205工作面補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后兩巷的礦壓情況進(jìn)行觀測(cè)分析，巷道頂?shù)装逡平?、兩幫收縮量為400mm、300mm，極大程度的減小了巷道斷面收縮量，為工作面的安全、高效生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。