毛则渠煤矿2号煤层顶分层破坏区下掘进过空巷技术研究

任兆鑫

(山西乡宁焦煤集团 毛则渠煤炭有限公司，山西 临汾 042100)

1 工程概况

毛则渠井田209工作面运输巷位于采区西翼，巷道布置沿2号煤层底板掘进，煤层平均厚度为7.06 m，煤层一般含1～3层夹石，最多可达5层，夹石一般厚度0.20 m左右，结构为简单-复杂。巷道为南北走向布置。209工作面运输巷掘进800 m过程中共揭露8条空巷，有上分层空巷、中分层空巷和底煤空巷，分别与工作面平行、斜交、立交布置，工作面空巷分布及位置关系见表1。

表1 空巷特征

209运输巷巷道断面设计为梯形，巷道净高2.6 m，巷道上宽3.7 m，下宽4.5 m。巷内采用梯形棚支护(12号工字钢)，棚距700 mm，全断面采用金属网+木背板腰帮背顶，棚腿处采用地梁+钢钉限制棚腿移动，地梁为12号工字钢，长度为2 600 mm，钢钉规格为直径×长度=30 mm×400 mm，具体209工作面运输巷支护断面示意如图2所示。为保障巷道顺利掘进通过空巷区域，特进行掘进过空巷技术研究。

图2 巷道支护断面图(mm)

2 复采区域围岩变形机理

毛则渠井田2号煤层大部分厚约2.5 m的上分层，由历代小井采用短壁房柱式和巷柱式开采，致使上分层形成的空间结构极为复杂，其中下分层剩余煤体厚度约为4.5 m，采用放顶煤工艺回采。现采用数值模拟方法，对毛则渠煤矿2号煤层在房柱式开采条件下，顶板运动及垮落情况特征进行分析，为巷道掘进过空巷围岩控制提供基础依据。

根据209工作面开采过程和巷道布置完全按照毛则渠煤矿2号煤层旧式开采的情况，模型尺寸为：155 m×130 m×59.5 m，边界各留20 m煤柱用以消除边界效应影响[1-3]，全网格划分为42万个单元，具体数值模型如图3所示。

图3 数值模型示意

根据数值模拟结果，具体进行房柱式开采后围岩应力及塑性区分布特征，分析如下。

1) 煤柱区域垂直应力分布云图如图4所示。

图4 煤柱垂直应力等值线云图

从图4可以看出，煤层经过小窑采动破坏后，在遗留的仓房煤柱区域均存在不同程度的应力集中，部分区域最大垂直应力达到1.76 MPa，最大应力集中系数达2，另外遗留煤柱区域的应力集中现象基本均出现在煤柱的中心区域，即煤柱的中心区域为应力集中最大处，该处承受的应力值最大。在仓房区的上方，由于上覆岩层大部分均由下方的煤柱所支承，仓房区域的顶板应力会通过仓房煤柱向煤层底板传递，进而表现为仓房区域顶板应力相对较低，仓房区域的煤柱垂直应力较小，另外在仓房区的中部区域还存在拉应力区域，最大拉应力达到0.5 MPa，由于煤层经历小窑采动影响后，煤层破坏程度较大，且煤层能够承受的拉应力较小，因此在煤层拉应力区域易产生冒顶破坏，故而在该区域进行采掘作业时，应加强巷道支护，确保采掘作业的安全，避免出现冒顶事故。在煤柱区域进行巷道掘进作业时，巷道帮部也出现一定的应力集中现象，巷帮应力集中最大值出现巷帮中部区域，该区域的应力集中最大值达到1.9，煤柱区域顶板中部同样存在拉应力区域，最大拉应力达到0.2 MPa；另外在采掘扰动下，巷道周围存在一定的卸压区域，但煤柱区域相较于仓房区域其卸压区域及范围较小。

综合上述分析可知，巷道掘进通过空巷破碎区域时，掘进期间应重点加强顶板及煤柱角点的支护[4-6]。

2) 根据数值模拟结果得出，当采用房柱式开采后，围岩塑性区的破坏特征如图5所示。

图5 煤柱破坏区分布示意

从图5(a)中可知，房柱式开采后，遗留煤柱塑性区基本均处于煤柱的边缘和四角区域，这与垂直应力分布云图分析结果相一致，煤柱在集中应力作用下塑性区不断发育，煤柱塑性区发育范围小，弹性区范围大，弹性区占到煤柱整体宽度的60%，塑性区的发育宽度仅为1～1.3 m。房柱式开采仓房区围岩破坏分布范围如图5(b)所示，可以看出，仓房区破坏范围较大且呈拱形，最大破坏高度延伸至基本顶下部，高达4.8 m，煤柱破坏深度为1.3 m，底板破坏深度1.2 m。巷道周围煤岩体破坏区分布如图5(c)所示，可以看出，巷道顶板破坏较为严重，破坏深度达到直接顶下方，高达2.5 m，底板破坏深度亦为1 m，巷道两帮破坏深度为1 m。

3 掘进过空巷技术方案

根据209工作面运输巷的具体地质条件，结合前述复采区域围岩变形机理的分析结果，确定复采区域掘进巷道围岩控制的关键技术：低扰动掘进+高刚度支护。具体巷道掘进过空巷的方案如下：

1) 低扰动掘进：巷道掘进时，采取“短进尺、小扰动”的施工原则，避免巷道掘进对围岩产生过大的扰动，并及时对揭露的围岩进行支护。撞楔法的优点是工序简单、施工费用低、材料消耗少、施工速度相对较快，而且与工字钢棚配合使用，操作方便。实际应用时还应在掘进工作面后及时用π型钢梁和单体支柱加强超前临时支护，以保证新揭露围岩的稳定性。撞楔的主要作用是钢钎的梁效应[7]，如图6所示。

图6 钢钎的梁效应图

现有使用的钢钎直径一般均为30～50 mm，一头削尖，一头压扁，削尖一头利于穿入煤岩体，压扁一头利于捶打，钢钎长度一般为2.5～4 m，钢钎布置间距一般为200～300 mm。

2) 高强度刚性支护：掘进工作面与空巷相交时灵活采用缩小棚距或对棚、锚注、锚拉支架以及采用料石砌墙等多种加强支护方式。一般情况下，可采取缩小棚距或采用对棚并使用木垛配合方式加强支护。如果围岩特别破碎，岩块较小，顶板和两帮流变性大或者空巷积水等情况下可采取锚注方式加固围岩，并使围岩与水隔离。对于空巷内顶板强度较高，完整性较好，锚杆和锚索能够铺固在坚硬的岩层上，可采取锚拉支架方式进行加固。复采巷道掘进期间需要在空顶状态下能够接顶，采取打木垛的方式处理巷道空顶的问题，支护方案如图7所示。

图7 单体柱+钢棚+料石墙砌筑支护示意

4 效果分析

209工作面运输巷掘进过空巷期间，在巷道迎头布置矿压监测站，根据观测结果能够得出围岩变形曲线如图8所示。

图8 巷道掘进过空巷期间围岩变形曲线图

分析图8可知，巷道掘进过空巷期间，围岩变形主要出现在掘出后的0～10 d内，围岩在巷道掘出后20 d后，围岩基本处稳定状态，变形量不再增大，最终顶底板及两帮最大变形量分别为89 mm和148 mm。

5 结 语

根据209工作面运输巷特征，通过模拟分析复采区域围岩变形机理，得出遗留煤柱内最大应力集中系数为1.9～2.0；得出房柱式开采仓房区和巷道区域围岩塑性区的发育深度；根据复采区域围岩变形机理，设计复采区域掘进巷道采用低扰动掘进+高刚度支护的支护方案，根据巷道掘进过空巷区域围岩变形观测结果可知，现有掘进过空巷方案能够保障围岩稳定。