沿空留巷围岩变形特征与控制技术

2020-12-11杨必荣

工程技术研究 2020年20期

杨必荣

（国家能源集团神东煤炭集团锦界煤矿管理处，陕西榆林 719319）

沿空掘巷是目前煤炭开采最为重要的形式之一，其能够显著提升采出率，同时实现工作面安全高效的回采。但是随着煤矿开采深度的不断增加，地质条件复杂性逐渐增加，加上围岩具有松散以及蠕变特性，在完成上区段相邻工作面回采之后采空区上覆岩层没有稳定，留存的残余压力容易引发沿空巷道发生较大的变形，因此需要分析其变形特性，并采取针对性的控制技术确保其稳定性，降低安全隐患。

1 案例基本概况

某矿工作面属于二1煤层I盘区，其具体参数指标如表1所示。采取沿空掘巷，上帮和工作面采空区之间留置30m的保护煤柱，在进行回采时会受到采空区侧向支承压力的影响。具体布置情况如图1所示。

表1 煤层具体参数

图1 巷道布置情况

2 巷道原有支护情况介绍

对于11021工作面来说，其上顺槽巷道的断面尺寸为3.2m×4.6m（高×宽），净断面的面积达到14.72m2。按照巷道的具体情况设置支护形式，具体为锚网+16#槽钢梁+W型钢带+钢筋梯，同时为了进一步提升巷道的抗压强度，也要设置单体液压支柱或叉子棚。

（1）锚杆尺寸。锚杆具体规格如表2所示。

（2）槽钢梁锚索规格。槽钢梁锚索具体规格如表3所示。

表2 锚杆规格

表3 槽钢梁锚索规格

（3）托盘规格。托盘采用16#槽钢梁（长度为 4200mm）、钢板（12mm×120mm×120mm、12mm×80mm×80mm）以及木垫板（50mm×120mm×120mm）配合使用。

（4）金属网片。采用Φ6mm的钢筋焊接而成，并且在其表面铺设1000mm×1900mm的金属网片，每一格通过14#铅丝进行绑扎。

3 巷道围岩变形特征

可以通过巷道表面的位移情况来反映出巷道稳定性，再通过测试得到巷道围岩变形曲线情况，分析总结如下：（1）一旦和工作面距离超过35m，巷道的围岩总体上并不会受开采活动的影响，围岩的变形情况和距离工作面的距离呈现出负相关性，越接近于工作面巷道的变形就会越剧烈。产生此现象的主要原因在于工作面煤体会受到支撑压力方面的影响，一旦压力过大就会造成煤体的压裂破坏，随着裂隙的增加应力会逐渐向煤体深处扩展。（2）观察现场的实际情况可知，上帮出现了较为严重的变形，煤体也出现了破碎的情况，这说明煤柱侧变形的速度要超过实体煤帮变形的速度。（3）根据图纸可知，距离回采工作面25～35m的区域，两帮以及顶板围岩的变形速度明显加快；距离工作面5m位置，巷道两帮和顶板变形速度达到了最大值。在此区域内部的覆岩具有非常强烈的活动，随着工作面的不断发展，上覆岩体逐渐产生弯曲变形、下沉的情况，随着变形的增加岩体会产生破坏。受到自重和支护体所形成的切顶阻力影响，采空区侧的基本顶会产生破断现象。在回采速度比较慢的情况下，巷道会发生比较严重的变形，此时煤壁也会产生相应的片帮现象。（4）回采会对11021工作面上顺槽距工作面100m范围造成较大影响，在围岩收敛最为严重的情况下，断面收缩率超过了60%，无法实现正常的工作面运输、通风以及正常通行，这直接威胁着工作面生产的安全性。

4 沿空留巷围岩破坏的原因以及控制技术

4.1 沿空留巷围岩破坏的原因

第一，由于工作面具有较大的埋深（达到-682m），会引发比较高的地应力。该区域具有比较复杂的地质构造，特别是次生小断层发育会造成地应力较为集中；第二，通过参考地质构造柱状图可知，顶板围岩具有比较高的应力和膨胀性，并且属于节理化复合型软岩。其底板属于煤层，该区域较为松软并且容易产生变形，在进行回采时非常容易受到强动压的影响，这些动压会破坏已有的应力平衡，从而使围岩发生变形；第三，巷道一帮属于塑性状态的保护煤柱，另一帮属于实体煤，在进行回采时，顶板岩层的挠曲运动会造成支承压力的全新分布。巷道处在采空侧的应力区，煤层上侧的顶板会按照相应的垮落角度依次向采空区扩展，从而形成组合悬臂梁结构。这样露出的顶板以及某些覆岩重量会转移到实体煤上，老顶以给定的变形方式作用在采空侧的煤体上，这样就会在煤体边形成相应宽度的松弛区和塑性区。一旦实体煤侧围岩受到破坏，那么受到高支撑压力的影响就会形成向巷道内部塑性流动，从而造成了非常剧烈的变形。

4.2 巷道围岩的控制技术

为了确保11021工作面沿空巷道具有充足的安全断面，能够保证其回采的安全性，需要对其支护方式进行升级优化，可以采用“超前液压支柱+帮部槽钢梁锚索”的复合支护方式，具体操作方式如下：第一，以往的超前支护方式主要是利用“单体液压支柱+II型钢梁+工钢底梁”的方式来进行的，但这种方式已经很难满足先进巷道围岩的控制，同时此种支护方式还会消耗大量人力、物力，因此需要对其进行优化。可以在超前工作面30m位置采ZT24500/18/35型超前液压支架来进行支护。一般情况下两帮各设置2架，以此进行超前支护，确保巷高可以达到3500mm。第二，为了有效处理底鼓较为严重的区域，可以采取人工卧底的方式，确保巷高能够达到3500mm，以便液压支架能够正常通行。同时对于片帮较为严重区域实施刷帮，以此保证巷道最小断面可以满足安全生产的需要。第三，为了进一步提升煤柱帮的稳定性，需要对巷道内部局部断锚索以及断锚杆区域补打点锚索，锚杆实施补强支护。对于顶板出现较明显的离层以及下沉较为严重的区域来说，可以通过“锚索+工钢梁”的方式进行支护；对于两帮片帮较为显著、收敛较严重的区域可以通过槽钢梁锚索实施加强支护，另外需要对已经发生破损的金属网实施补网以及联网。

5 应用效果和结论

为了明确控制技术的可行性以及具体效果，需要在距离工作面50m区域内设置3个测点，以此测定巷道围岩的变形情况，能够得出具体变形曲线，其基本的情况分析如下：第一，在工作面前部30m位置架设超前液压支架之后，能够显著降低顶板的下沉速度，使得曲线较为平缓。累计下沉量最大值为250mm，相对于原有支护方案来说，下沉量有了非常明显的降低（150mm）。第二，通过对帮部补打锚索以及锚杆后，能够有效减小两帮相对移近的速度。累计移近量的最大值为350mm，相对于原有支护方案来说，累计移近量有了非常明显的降低（400mm），取得了较好的效果。第三，采取上述控制技术后能够将断面收缩率从62.4%降低到40%，从而有效控制巷道变形情况。

通过实施“超前液压支柱+帮部槽钢梁锚索”的复合支护方式后，沿空留巷围岩的断面收缩率有了非常明显的下降（从62.4%降低到了40%），并采取相应方式有效控制巷道变形，可在减少人工投入的同时有效保障工作面的安全性。