镇城底矿28620工作面强动压巷道围岩控制技术研究

2019-05-31焦跃峰

山西冶金 2019年2期

焦跃峰

（西山煤电集团有限责任公司镇城底矿，山西古交 030203）

随着煤炭开采技术水平的提高，工作面高强度、集约化大型煤炭开采设备的使用越来越普及[1-3]，在工作面开采高度增大的同时，工作面矿压显现剧烈程度也随之增加，出现巷道围岩变形大、难控制等问题。我国多个煤矿企业均面临动压巷道控制难题。针对巷道受强扰动、围岩破碎、支护效果差等问题，国内相关学者对此展开研究。王其洲[4]采用“锚索+U型钢”联合支护，通过锚索提高围岩固化强度，增大U型钢承载强度，解决拱形巷道难支护现状；袁越[5]建立深部动压环境下巷道围岩受力模型，推导出巷道围岩破碎塑性区边界方程式，为深部巷道设计、支护提供参考；唐芙蓉[6]基于试验巷道地质条件，构建不等压条件下巷道受力破坏模型，提出了“锚喷索+锚注”联合控制技术；娄金福[7]针对动压巷道顶板离层控制难题，分析顶板离层时主动、被动支护对顶板岩层控制区别，提出高预紧力强力主动支护措施对动压巷道顶板离层有良好的控制效果。

本文以镇城底矿28620工作面巷道为研究对象，分析巷道在强动压影响下，围岩变形破坏特征及失稳机理，进一步提出巷道围岩控制技术，保证巷道在服务期内的安全使用。

1 工程地质概况

镇城底矿是西山煤电古交矿区五对矿井之一。井田位于西山煤田的西北边缘，井田地质构造复杂，形态略呈一个倾伏状、波浪式不对称向斜构造，区内断裂构造发育。矿井地处古交市西北11 km。

井田面积23.8 km2，可采煤层8层，煤质以肥煤、焦煤为主，主采煤层为2号、3号和8号煤。生产能力为 190 万 t／a。

其中8号煤层为石岩系太原组，煤层赋存稳定，厚度约为3.80～4.80 m，平均厚度为4.5 m。28620工作面顶底板覆岩特征见图1所示。工作面位于南二下组煤采区左翼，西北侧接正在回采的28610工作面。28620工作面一次采全高综采工作面，工作面在回采期间，受动压影响剧烈，出现巷道顶板剧烈下沉，巷道两帮向巷道空间内移变形严重，顶板锚杆、锚索出现大范围的破断，严重影响正常回采作业，存在巨大安全隐患。

图1 28620工作面顶底板覆岩特征

2 动压巷道围岩破坏特征及失稳机理

2.1 动压巷道围岩破坏特征

动压巷道围岩破坏特征一般与软岩巷道类似，但与之相比，动压巷道由于其受力复杂特性，变形更加复杂。根据对现场28620工作面动压巷道围岩表面及内部观测，动压巷道围岩变形破坏呈现三大主要特征：

1）巷道围岩变形速度快、围岩变形量大。根据对现场28620工作面围岩位移监测数据显示，巷道在初期受动压影响阶段，在较短时间内，巷道顶底板及两帮移近量就可上升至220 mm，两帮最大日收敛量为1.5 mm/d，巷道顶板日最大下沉量达2.1 mm/d，底板鼓起量日最大达到1.4 mm/d。随着工作面回采，巷道破坏程度呈现逐渐上升趋势。

2）巷道变形具有较强的时间特性。动压巷道围岩出现大变形主要与动力源有关，根据现场观测显示，超前工作面约80 m处时，巷道开始受到采动影响，随着工作面的向前推进，巷道围岩变形程度及变形速度出现激增；在超前工作面约10 m处，巷道变形速度达到最大值，当工作面推过该巷道处，巷道围岩变形速度逐渐降低。

3）巷道围岩呈现非对称性破坏特征。围岩产生此类变形主要是由于巷道开掘后，高应力逐渐向深部转移，围岩变形具有显著的流变特征。此外，随着工作面回采，采空区一侧支承结构及应力状态发生改变，在实体煤帮与保安煤柱两侧，应力场呈现非对称性特征，加剧围岩出现非对称性破坏。其破坏形式如图2所示。

图2 巷道围岩非对称性破坏形式

2.2 动压巷道围岩失稳机理分析

动压巷道围岩由顶底板、煤壁及实体煤组成，工作面回采产生的扰动对护巷煤柱产生直接影响，失稳的形式包括剪切失稳、劈裂失稳及沿结构面滑移失稳等；其次影响在部位巷道顶板，存在离层与挠曲失稳、剪切失稳、拉断失稳和挤压流动失稳等四种破坏形式以及巷道底板的底鼓。

对于动压巷道而言，一般要经历邻近工作面回釆及本工作面回釆的双重影响。动压作用下的围岩破坏包括：煤柱破坏失稳、顶板失稳及结构面的破坏。巷道护巷煤柱、顶底板及其结构面都是一个有机的整体。因此，动压巷道围岩的变形破坏失稳是各个组成部分相互作用、相互影响的综合结果，组合中任一部分的变形失稳都有可能影响到巷道整体结构的稳定性，甚至导致巷道整体的失稳破坏。

一般来说，动压巷道护巷煤柱上、下两端呈现水平压缩状态，煤柱中部呈现水平拉伸状态，在强动压作用下，巷道中部出现劈裂破坏；而巷道顶板岩层在采空区上覆老顶岩块回转失稳过程中，受到来自关键块体回转下沉产生的水平推力作用下，顶板岩层发生横向错动，顶板覆岩结构稳定性遭到破坏。在巷道两帮失稳煤柱未能提供有效支承作用的情况下，导致顶板弯曲下沉，过程如图3所示；另外结构面的破坏主要是由于巷道开挖后，使巷道围岩弱结构面应力状态发生改变，在动压作用下，弱结构面围岩成为巷道围岩主要应力释放区域，结构面出现滑移、错动及剪切碎胀变形，进而导致围岩向巷道内部空间滑移。

图3 动压巷道顶板失稳过程

3 动压巷道围岩控制技术

根据动压巷道围岩失稳机理分析可知，巷道围岩的稳定性的影响因素主要包括：巷道所处的应力环境、围岩物理力学性质及其结构类型等，故动压巷道围岩控制技术应在充分考虑影响因素的基础上进行研究。根据28620工作面情况，采用的具体技术参数如下：

1）高强度、高预紧力和高刚度锚网索支护材料。巷道顶板和两帮使用左旋螺纹钢锚杆，直径Φ=22 mm，长度L=2 400 mm，锚杆托盘采用规格为150 mm×150 mm×10 mm的碟形锰钢托盘；顶板锚索采用19股钢丝绞线锚索，直径Φ=21.8 mm，长度L=9 300 mm，锚索托盘采用规格为300 mm×300 mm×16 mm的碟形锰钢托盘；金属网直径为6.5 mm，网孔大小为100 mm。

2）合理的锚杆（索）间排距。巷道顶板锚杆间排距为700 mm×800 mm，锚索间排距为1 500 mm×800 mm；巷道两帮间排距为800 mm×800 mm，锚索间排距为1 300 mm×800 mm。

3）中、快速锚固剂配合使用。巷道顶板及两帮锚杆采用K2340、Z2360树脂锚固剂各一支，顶板锚索采用K2340一支和Z2360三支锚固剂，两帮锚索使用K2340一支、Z2360两支锚固剂。

4 支护效果分析

采用动压巷道围岩控制技术对28620工作面试验巷道段进行支护并进行巷道围岩位移数据监测，监测结果如图4所示。动压作用下，巷道围岩变化呈现非对称性，巷道围岩位移总体趋势为右帮＜左帮＜顶板＜底鼓，在监测17 d内，巷道围岩变形趋势总体上一致；在17 d至35 d内，巷道受工作面推进扰动，围岩出现大变形，其中巷道底板变形量最大，顶板次之，巷道右帮变形量最小；在第37 d后，巷道围岩变形逐渐趋于稳定。通过监测数据显示，巷道在动压影响作用下，左右两帮最大收敛总和为116 mm，未影响到工作面正常回采作业。