煤矿井下巷道围岩控制方案研究

2020-06-11张清山

山西冶金 2020年1期

张清山

（山西晋煤集团泽州天安煤业有限公司，山西晋城 048000）

随着自动化程度高的采煤机、掘进机的不断投入使用，煤矿井下的综采作业效率和巷道掘进效率获得了空前的提升。综采过后的沿空留巷处由于有预设煤柱的应力集中，而且承受低压冲击大等原因，极易产生垮塌，影响煤矿井下的综采作业安全性，因此通常采用一系列支护方案对巷道围岩进行支护，避免发生垮落事故。目前煤矿井下最常用的巷道支护方案是随着井下综采作业面的回采，不断的对采空区一侧的巷道围岩进行支护，将其作为综采面的物料运输通道使用[1]。但随着井下综采作业效率的不断提升，传统的巷道围岩控制方案暴露出施工工艺复杂、效率低下、围岩控制效果差的缺陷，并且由于井下回采率的不提升，使井下的预留煤柱量不断减少，当发生矿压波动时，极易导致围岩支护结构的受力变形、垮塌，给煤矿井下的综采作业安全带来了严重的隐患。因此本文提出了一种新的井下巷道围岩控制方案，该工艺技术方案具有操作流程少、支护速度快、可靠性高的优点，显著的提升了煤矿井下巷道围岩的支护速度和围岩控制的可靠性，目前该技术方案已得到了推广，取得了良好的应用效果。

1 井下巷道应力分布研究

煤矿井下巷道在上侧区段的综采面回采之后，顶板区域的岩层开始进入到回转下沉运动，当发生回转后，其巷道顶部岩层的应力平衡状态将被破坏，特别是当在综采过程中出现矿压时，这种现象将表现地更为明显，导致巷道顶板内的应力将重新进行平衡分布，使巷道围岩的受力情况也发生改变。在巷道顶板和围岩内的应力情况重新分布的过程中，巷道围岩的支撑压力的最大值出现的位置将朝着采空区的一侧（B 区）变化，对巷道的岩梁挤压（C 区），使其发生受力破坏，进一步地压迫巷道围岩，导致围岩处出现垮落，巷道顶板的支撑压力同时向煤层深处变化，在岩壁内产生应力集中。随着围岩的垮落及岩壁内应力的重新趋于平衡，围岩将进一步被压实，形成一种新的稳定状态，当巷道顶板矿压波动超过一定限度时，将进一步垮落并形成新的平衡，煤矿井下巷旁支护围岩结构如图1 所示[2]。

图1 煤矿井下巷旁支护围岩结构模型

由于煤矿井下的地质结构复杂，巷道围岩支护受矿压波动和岩层移运影响大，因此要确保井下巷道围岩的支护可靠性，需要综合采用多重方案相互组合，才能达到良好的控制效果。

2 液压支架临时支护

煤矿井下巷道顶板在矿压作用下会产生较强烈的运动，导致井下巷道采空区域的顶板垮塌，但在顶板垮塌的初期，无法对巷道的覆岩产生有效的支撑作用，此时极易导致巷道围岩的受力垮落，因此必须对巷道采空区侧进行辅助加强，直到矿压波动结束、顶板完全垮落并形成稳固的支护结构。在传统的支护方案中对采空区顶板的支护采用型钢支护，但在矿压波动较大的情况下，一次来压就足以摧毁型钢支护体（如图2 所示），造成支护失效。

图2 型钢支护断裂示意图

在经过对多种支护方式的支护效果、支护效率和经济性进行全面分析的基础上，本文提出了采用高阻液压支架临时支护的方案[3]，同时在支护过程中和支柱单体进行相互配合。利用高阻液压支架支护力强、支护范围大的特性，能够有效的抵消矿压波动下对顶板的冲击载荷，确保顶板的可靠性。当围岩受力时巷道的顶板和底板分别产生下沉和鼓起运动，但在液压支架的支护下能够有效的降低顶板和底板的变形量，减少对围岩变形的影响，确保围岩控制的可靠性，井下液压支架临时支护和支柱单体支护结构如图3 所示。

图3 液压支架临时支护和支柱单体支护结构示意图

3 围岩支柱单体密集支护方案

为了提高煤矿井下支护作业的便捷性，本文提出将传统的整体式的围岩支护结构，更改为单体支柱的形式，这样可以提前将单体支柱运送到巷道内，实现无等待作业，能够极大的提升煤矿井下围岩支护的效率和可靠性。

在进行支柱单体支护时，采用了密集支护的方案，以确保在矿压波动下立柱的支护可靠性。当巷道内回采完成后，沿着预爆破端口设置2 组支柱单体，为了避免支护过程中支柱在矿压波动下受力突然降低时的倾倒，在支柱的上侧均设置了一组木块，用于增加支柱的支护阻力[4]。在密集单体支柱的作用下能够为巷道顶板提供较大的切顶阻力，同时使垮落的岩层往采空区深处垮落，避免对围岩产生向内的挤压应力。同时在靠近垮落缝的位置设置圆钢梁架，配合金属网形成挡矸支护结构，支柱单体和圆钢之间采用错间隔布置，在金属防护网的配合下能够显著的降低岩层垮落时的矸石涌入巷道内，从而确保围岩支护的可靠性，当岩层完全垮落形成稳定的压实体后，再将多层支柱单体进行回撤，只保留最内侧一层支柱，实现了对支柱的重复利用，降低了支护时的成本，支柱单体支护结构如图4 所示。