综放工作面沿空留巷围岩控制技术研究

刘利民

摘 要：西坡煤业为了解决5106工作面沿空留巷围岩控制难题，以5106综放工作面沿空留巷为研究背景，分析了该工作面沿空留巷顶底板破坏特征，分析得到了综放沿空巷道围岩破坏特征及变形规律，并采用FLAC 3D数值模拟的方法对对5106工作面沿空留巷支护技术方案进行分析，现场实践取得良好效果，巷道围岩的变形量得到有效控制，保证矿井的安全生产。

关键词：沿空留巷;围岩稳定性;数值模拟;桁架锚杆支护

0 前言

综采放顶煤开采的过程中，采用沿空留巷方法往往因为放顶煤工艺以及掘进采动等影响使得巷道变形严重。针对沿空留巷方法巷道变形大的现状，矿井往往采用加强支护的方法提高围岩的稳定性，但是因为沿空留巷在服务期间长期处于高压力状态，使得围岩控制效果不理想。本文针对西坡煤业5106综放工作面开采过程中的问题进行了分析研究，通过数值模拟得到了沿空留巷应力集中区域，经过现场加强支护后，有效的控制的围岩的变形。

1 矿井概况及巷道围岩变形规律分析

西坡煤业位于山西省吕梁市柳林县西北部，距柳林县城28km，生产规模为120万t/a，5106综放工作面地表位于西坡村西南部。地表出露地层以Q2+3、N2、P2S2为主。盖山厚度375～485m，平均425m。工作面轨道巷开口于北二左翼泄水巷措施巷，皮带巷开口于北二左翼皮带下山，工作面西北侧间隔46m、35m、60m分别为北二2#煤左翼泄水巷、北二2#煤左翼泄水巷Ⅱ段5102采空區;工作面轨道巷0～521m、皮带巷56～586m上部1.9～6.2m为5103采空区。皮带巷东南侧间隔21m为5203工作面（待采），其方位暂无工程。为最大限度的开采煤炭，采用无煤柱的沿空留巷方法进行开采，在实际的开采过程中，通过柔模混凝土对原巷道进行支护，在综采放顶煤开采的过程中，随着工作面的推进以及放顶煤开采的进行，巷道围岩受力复杂造成变形。因为沿空留巷巷道在整个服务周期内受到初次开挖扰动和采动影响使得巷道的变形破坏形式特殊。当巷道上覆岩层运动强烈时，沿空留巷巷道变形复杂，通过传统支护方式很难维持巷道的稳定。

西坡煤业为更好的掌握5106综放工作面沿空留巷巷道围岩的变形特征，对该工作面沿空留巷巷道进行数值模拟研究，模型的建立以巷道实际尺寸为准，模型长为320m，宽为150m，煤层以及顶底板厚度共35m，煤层埋深450m，基本顶受到的初始应力值为12MPa，定义巷道支护的宽度为1.5m。

为准确掌握了工作面掘进期间巷道围岩变形规律和围岩变形量，采用FLAC 3D数值模拟软件对巷道塑性变形进行模拟，通过模拟得出不同阶段进风巷道塑性分布云图如图1所示。

图Ⅰ为进风巷掘进期间巷道塑性分布云图，从图中可以看出，在巷道开挖的过程中，巷道明显受到采动影响，因为媒体以及岩层的各向异性使得巷道表面受到不同程度的塑性破坏，因为进风巷道顶板处还有2.2m的顶煤，使得巷道的塑性破坏明显，在巷道顶角处出现3m的塑性破坏区，巷道两帮出现2.3m的塑性破坏区。

图Ⅱ为工作面推进50m 处巷道塑性分布云图，从图中可以看出，当工作面回采距离达到50m时，5106工作面两帮的塑性破坏区域并没有进一步的扩展，与工作面回采的过程中巷道两帮的塑性破坏区域一样都为6.3m，而巷道顶板的塑性破坏区域扩大明显，塑性破坏区域一直扩展到顶板围岩的深处。综合分析得知，5106工作面在巷道掘进时期以及工作面回采区间都受到了较大的影响，明显的应力集中现象使得巷道变形严重，严重影响生产的进行，必须进行改进支护才能满足安全生产的需要。

2 沿空留巷围岩控制关键技术

西坡煤业为有效控制5106综放工作面巷道围岩变形，结合矿井的实际地质条件，采用锚杆锚索联合支护技术对巷道围岩进行控制。联合支护期间支护未发生脱锚现象，但是巷道围岩变形控制效果不佳，上覆岩石裂隙发育明显，顶板破碎严重，影响矿井的安全生产。通过FLAC 3D数值模拟得到原支护方案下巷道变形严重，难以保证采掘的继续进行，为此，采用加强支护措施来提高巷道围岩的稳定性和承载能力。

由于5106工作面进风巷道围岩变形程度，需采取加强支护方案对工作面进风巷进行加固。鉴于巷道顶板及两帮破碎程度较大，固采取注浆加固工艺，利用注浆工艺对顶板中破碎的区域进行注浆，使得破碎岩体、浆液以及完整性岩块固结起来，待浆液固结后顶板的整体性得到提高，完整的顶板减少了冒顶等事故的发生且具有一定的承载能力;对于煤帮而言，煤帮两侧为含有众多结构面的半坚硬煤体，众多的结构面使得煤体在受力状态时破碎现象严重。在工作面回采的过程中，进风巷道在长期应力集中中承载能力逐渐降低，煤体的旧裂隙在应力作用下不断扩展发育，同时新裂隙增加明显，新旧裂纹不断交替发育，形成肉眼可见的大裂隙，对两帮进行注浆加固，浆液会顺着裂隙面注入岩体，在浆液的粘结作用下，裂隙逐渐被填满，在浆液的粘结作用下，破碎岩体逐渐固结起来，在高压注浆的作用下，使得浆液可以充满整个破碎煤帮，间接的改变了岩体的抗压强度以及内聚力，因此岩层的抗剪切能力提高。注浆工艺使得原有的破碎岩体摩擦力转化为摩擦胶结双重作用，从而间接的改变了岩层的力学性能，提高了岩体的承载能力。注浆工艺完成后，对顶板以及两帮分别进行桁架锚杆加强支护，桁架锚杆支护原理如图2所示。

3 沿空留巷效果分析

西坡煤业5106工作面采用沿空留巷围岩控制技术后，通过对巷道顶板及两帮加强支护后，现场实测，5106工作面进风巷道在1m、3m、5m和6m位置处，巷道顶板的位移量分别为247mm、208mm、132mm和79mm;进风巷道在1m、3m、5m和6m位置处，煤柱两帮的位移量分别为321mm、181mm、105mm和79mm。从位移变化图和监测数据来看，在巷道1m处围岩变形量大，说明此处的岩层松散，易变形;在进风巷6m处变形最小，说明此处的岩层完整，抗压能力强、抗剪强度高。由此可知，采用加强支护技术后有效控制巷道围岩变形，使巷道有足够的承载能力，保证矿井的安全生产。

4 结论

西坡煤业以5106综放工作面沿空留巷围岩控制为研究对象，通过对沿空留巷顶板变形破断规律的研究，分析得出采用加强支护和注浆加固工艺，有效解决巷道围岩变形严重的难题。现场应用表明，巷道顶板最大移近量为247mm，煤柱两帮最大移近量为321mm，受回采扰动影响巷道仍能保持良好的稳定性，留巷效果较好，达到了安全生产的目的。