复采综放工作面下覆开拓大巷安全控制技术＊

白向东

(山西晋城煤炭规划设计院，山西省晋城市，048000)

在煤炭复采过程中，由于原有小煤矿的开采系统复杂和无序，出现了很多影响煤炭回收的难题，比如巷道位置关系复杂、通风系统混乱和煤层煤柱留设不统一等。本文针对回收煤柱的复采工作面下覆开拓大巷对综放面造成的安全隐患，研究了相应的控制技术，并在ZF302综放面开采时进行了大巷加固实践，取得了良好的效果。

1 现场概况和存在的问题

山西兰花集团莒山煤矿有限公司位于晋城市东北18km处，井田面积为9.0214km2，批准开采3＃～15＃煤层。目前矿井3＃煤层正规工作面已采完，资源临近枯竭。因此，选择对3＃煤层遗留煤柱进行回采，是提高煤炭资源回收率，延长矿井服务年限的重要手段之一。矿方对3＃煤层遗留煤柱进行了全面调查筛选，将在六采区大巷煤柱布置ZF302放顶煤工作面进行回采。

3＃煤层位于山西组中下部，厚度为5.50～8.15m，平均厚6.13m。煤层顶板为砂质泥岩或泥岩，底板为泥岩或砂质泥岩。由于该区域原六采区运输大巷位于3＃煤层底板岩层中，距ZF302采面最近处的层间距不足10m，这些都对ZF302工作面安全回采造成较大的影响，可能会出现下部巷道坍塌引起采面支架下陷。ZF302综放面与下覆六采区运输大巷的位置关系见图1。

图1 回采巷道与下覆运输大巷的位置关系

综放面开采过程中可能会存在如下问题。

(1)本综放面是开采原有大巷煤柱，煤柱区域是应力集中区，其下部开拓巷道受到的应力较高。

(2)综放开采对底板的扰动范围大，综放面与下覆巷道的距离为8～16.5m不等，其破坏深度增加可能会进一步影响巷道的稳定。

(3)开采时综放面前后方支承压力的变化对于底板内部的开拓巷道有很大的影响，其对巷道稳定性的影响呈现出周期性的特点。

(4)综放面在开采每一刀煤时都会经过下覆开拓巷道上部，巷道顶板下沉可能会导致采面设备的下陷。

2 综放面下覆巷道围岩松动圈测试

巷道围岩松动圈的大小反映巷道围岩应力是否超出岩石 (体)的抗压强度，是与围岩强度和围岩应力相融合的一个综合指标，可以直接反映测试巷道围岩维护的难易程度，是进行巷道围岩稳定性评价和支护设计的重要依据。

本项目采用钻孔成像测试方法进行巷道围岩松动圈的确定。该方法操作简单，可以直观地观察钻孔内不同深度岩层的破碎变形情况，从而可准确确定围岩松动圈的大小。

根据现场具体情况，在六采区运输大巷选择与ZF302采面不同层间距的3处测站。测站Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别距离ZF302采面约16m、12m和8m。每个测站分别在顶板和两帮钻凿垂直于巷道轮廓的孔眼。孔眼直径约30mm，深度一般不低于4m，要求孔眼圆而且直，并把孔中煤岩粉吹干净后才能进行测试。六采区运输大巷3处测点围岩松动圈测试结果见表1。

表1 六采区运输大巷围岩松动圈测试结果

松动圈实测结果表明莒山煤矿六采区运输大巷的围岩松动圈厚度小于1.5m，属于中小松动圈，巷道稳定性较好。但得注意的是，3处测站的顶板松动圈厚度都明显大于两帮。分析原因是由于碹体与巷道围岩之间存在较大空隙 (根据现场钻孔探测，空隙厚度一般在0.2m以上)，顶板围岩在重力作用下逐步变形、破裂和离层。

3 综放面开采对下覆巷道影响数值模拟

按照综放面实际地质条件和巷道尺寸建立计算模型，分析ZF302采面回采对其下部近距离开拓巷道的影响。

图2 计算机数值模拟模型的巷道位置关系

莒山煤矿ZF302工作面采用综放开采法开采3＃煤层大巷煤柱。根据现场地质生产条件采用FLAC3D建立模型研究综放面开采对下部巷道围岩应力和变形的影响。计算模型选取铅垂向为y方向，水平方向为x方向，沿煤层走向为z方向。考虑到开采变形的影响范围，确定计算模型的尺寸为150m×80m×600m (x×y×z)，围岩本构关系采用摩尔-库仑模型。下部边界条件为位移边界条件，y方向上为铰支。所建数值模型如图2所示。

根据综放面开采的设计尺寸，主要针对综放面开采进度对下覆开拓巷道影响设计不同的模拟方案，重点监测综放面围岩应力变化以及开拓巷道帮部围岩应力的变化情况。模拟结果见图3和图4。

从图4中可以看出，随着ZF302工作面的开采，在采空区内由于煤层的开挖导致应力释放，形成了方形的应力降低区；相应地，在采空区周围的煤体和煤柱内部形成了应力集中区，对于综放面下部20m范围内的六采区运输大巷位于工作面前方的5～25m范围内，出现了应力升高区，最大静集中应力超过40MPa，由于采动造成的瞬时集中应力可能更高，对大巷造成严重扰动，产生变形和破坏，因此，对下部巷道需要在工作面影响前进行相应的加固。

六采区运输大巷所处位置的初始竖向应力为25MPa，原巷道开挖后，综放面没有影响之前，右帮5m深处的竖向应力为38.2MPa。多个测点的模拟结果显示，随着上部ZF302采面与测点距离的减小，巷帮内应力出现明显的增加，采面超前影响的范围约为60～80m，此影响程度在测点超前20～25m的区域内达到最大；随着综放面采过此测点，运输大巷处于卸压区，围岩应力急剧下降。

4 ZF302采面下部巷道加固方案与实践

根据现场实测和数值模拟研究结果可知，由于运输大巷服务变形时间长导致碹体与围岩之间存在较大空隙区 (现场打孔实测结果在0.2m左右)，为提高支护结构与围岩的整体耦合作用，增加巷道稳定性，加固之前必须先将碹体后部的空隙充填密实。从现场实际情况和现有技术水平考虑，对于与ZF302采面垂距大于12m的巷道可以采用 “壁后充填＋钢梁＋单体液压支柱”加固；对于垂距小于或等于12m的巷道采取回采前 “壁后充填＋锚杆＋钢筋网＋锚索”预加固和回采影响期间 “钢梁＋单体液压支柱”动态超前加强支护相结合的方案进行维护。详细加固方案如下:

(1)壁后注浆充填。注浆材料的选择是注浆技术中的重要组成部分。根据现场条件确定采用水泥-水玻璃浆液。水泥-水玻璃浆液的水灰比控制在0.8～1.0，水玻璃的掺量为水泥重量的3%～5%。水泥采用42.5＃普通硅酸盐水泥，水玻璃采用浓度为45波美度的液体水玻璃。

注浆短管采用∅26mm的无缝钢管加工，规格∅26mm×500mm，孔深1000mm，每个断面布置5根注浆短管，排距1.4m。见图5。

(2)锚杆 (索)支护加固。为了保障巷道在回采期间不发生严重顶板下沉，选用规格为∅20mm×2200mm BHRB335型左旋无纵筋螺纹钢锚杆，全断面布置10根锚杆，锚杆间排距为900mm×900mm，设计锚杆安装的预紧力矩不低于120N·m。

选用规格为∅18mm×6300mm的高强度、大延伸率锚索，锚索间排距1600mm×1800mm，均采用 “三花”布置 (即相邻两排锚索中，一排在顶板中部布置一根，另一排在两个拱肩处对称布置两根)，预拉力为100kN。

(3)“钢梁＋单体液压支柱”动态超前加强支护。根据理论分析和数值模拟结果，从采面液压支架尾部开始往前 (采面推进方向)60m长度范围内的下部巷道进行动态加强支护，随着采面往前推进在前部架设支架的同时将后部的支架拆除。架柱式支护见图6，顶板采用12＃槽钢制作成4500mm的顶梁，横梁采用3000mm槽钢，横梁与顶梁之间用350mm槽钢连接，横梁下采用3根单体柱支撑，单体柱间距为1400mm。支架支设密度为每1 m巷道架设1排。

架设单体液压支柱时要保证支柱与工字钢横梁间连接牢靠，每两根槽钢拱梁之间用3根拉杆连接(拱顶中心和两肩部各1根)，以防止歪架和倒架，并确保支柱初撑力不低于120kN。

在对六采区运输大巷进行支护加固实践过程中，要根据现场钻孔情况确定巷道顶板与ZF302工作面底板的距离，随时调整支护方式。

在巷道加固施工完成后，对ZF302综放面进行了开采实践，从对巷道的顶板下沉量观测结果和综放面机械设备在开采到开拓巷道上方时的下沉情况看，在综放面前方15m范围内出现巷道顶板下沉加速的情况，但是下沉量最大没有超过186mm，综放面实现了安全开采，而且下覆六采区运输大巷的临时支护材料也实现了安全回收。

5 结论

在ZF302综放工作面开采时，通过对其下覆六采区运输大巷采取 “壁后充填＋锚杆＋钢筋网＋锚索”预加固和回采影响期间 “钢梁＋单体液压支柱”动态超前加强支护相结合的支护方式，通过重点控制巷道顶板下沉量来降低回采面回采期间可能出现的底板破坏和设备下陷问题，取得了较好的效果，复采综放工作面的煤柱实现了安全回收。

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