劉小軍

(陽泉煤業(yè)集團有限責任公司，山西 陽泉 045000)

1 工程概況

陽煤集團新景煤礦現(xiàn)階段正在進行15號煤層的采掘工作，15號煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)復雜，常發(fā)育有三層夾矸。煤層以鏡煤、亮煤為主，內(nèi)生裂隙發(fā)育，含少量黃鐵礦結(jié)核。煤層厚度5.45～6.52 m，平均5.95 m，煤層傾角3～11°，平均6°，煤層普氏系數(shù)為2～3。15020綜放工作面標高+1 055～+1 150 m，埋藏深度為475～548 m。工作面走向長805 m，傾斜長220 m，面積177 100 m2。15020工作面位于15號煤一采區(qū)北翼中部，北為15018工作面(已采)，南為15021工作面(未掘)，西為80122工作面(已采)，東隔礦界為三礦(圖1)。15020工作面老頂為11.75 m的深灰色石灰?guī)r，夾2～3層黑色泥巖或砂質(zhì)泥巖；直接頂為0.42 m的灰黑色泥巖。新景煤礦屬于高瓦斯礦井，15020工作面絕對瓦斯涌出量為49.92 m3/min，相對瓦斯涌出量為8.99 m3/t，工作面布置內(nèi)錯尾巷來進行瓦斯抽采，15020內(nèi)錯尾巷沿15號煤層頂板布置，15020進風巷和回風巷沿15號煤層底板布置。15020工作面回采期間其內(nèi)錯尾巷超前段變形嚴重，每班必須加強起底工作，嚴重影響工作面回采的速度和效率。

2 尾巷圍巖變形破壞特征及機理研究

2.1 15020內(nèi)錯尾巷支護方案

新景煤礦15020內(nèi)錯尾巷服務于15020綜放工作面，主要作用是抽放瓦斯，巷道斷面為矩形，尺寸：寬×高=4.0 m×2.2 m。15020內(nèi)錯尾巷采用錨網(wǎng)梁聯(lián)合支護，頂板支護采用五孔W型鋼帶，孔間距為900 m，鋼帶排距為800 mm，每排錨桿錨索交替布置，共需三根錨桿和兩根錨索，錨桿和錨索的間距均為1 800 mm，錨桿為D20 mm×2 000 mm螺紋鋼錨桿，錨索為D21.6 mm×5 300 mm的鋼絞線，錨索垂直頂板安裝，靠近兩幫的錨桿向兩側(cè)分別傾斜10°。兩幫采用D20 mm×2 000 mm的圓鋼錨桿，錨桿間排距為1 000 mm×800 mm，每排布置兩根，靠近頂板的錨桿距離頂板400 mm，并且向上傾斜10°安裝。巷道支護情況如圖2所示。

圖1 巷道布置平面

2.2 15020內(nèi)錯尾巷圍巖破壞特征

15020內(nèi)錯尾巷沿15號煤層頂板掘進，巷道頂板為泥巖，兩幫和底板為強度較低的煤，在15020綜放工作面開始回采后，超前工作面200 m范圍內(nèi)15020內(nèi)錯尾巷圍巖發(fā)生嚴重的失穩(wěn)破壞，根據(jù)現(xiàn)場礦壓監(jiān)測可將圍巖的破壞形式總結(jié)為以下幾點：

1) 頂板下沉。15020內(nèi)錯尾巷在距離巷口350 m處出現(xiàn)大范圍的冒頂現(xiàn)象，冒頂區(qū)段長度約為8.0 m，最大垮落寬度達3.0 m，垮落的碎石封堵斷面。大范圍內(nèi)頂板劇烈下沉，頂板錨索、鋼帶以及超前加固支護的木柱均發(fā)生斷裂，局部位置頂?shù)装褰佑|，整體上巷道斷面損失非常嚴重。

圖2 15020內(nèi)錯尾巷支護方案

2) 兩幫變形。巷道兩幫煤體表現(xiàn)為整體破碎且中間部位較突出。

3) 底鼓嚴重。15020內(nèi)錯尾巷在掘進過程中伴隨輕微底鼓，工作面開始回采后，超前工作面一定區(qū)段內(nèi)底板失穩(wěn)形成弧形底鼓，底鼓是巷道斷面損失嚴重的重要原因，15020綜放工作面回采期間木柱支護段巷道斷面最小高度為0.5 m，底鼓量最大可達1.2 m，頂板下沉量最大達0.5 m。

根據(jù)現(xiàn)場礦壓觀測結(jié)果及分析可知：15020工作面回采期間，由于綜放工作面劇烈的采動影響，內(nèi)錯尾巷頂板下沉和底鼓造成其斷面損失嚴重，已經(jīng)無法滿足工作面抽排瓦斯的要求。主要變形原因為支護參數(shù)不合理、圍巖強度低及劇烈的采動影響等。在巷道圍巖破碎比較明顯的區(qū)域，通常采取提高錨桿支護強度，增加錨桿、錨索的密度或者通過注漿錨索進行加固，這些加固方式雖然能夠顯著提高巷道圍巖的穩(wěn)定性[1]，但是對于15020內(nèi)錯尾巷而言，巷道沿煤層頂板布置，過多的錨桿、錨索會嚴重影響頂煤的冒放性[2]，因此設計采用高強度混凝土支柱來減少頂板的下沉量和底板的底鼓量，使巷道斷面能夠滿足抽排瓦斯的要求即可。

3 內(nèi)錯尾巷加強支護支柱方案設計

為研究分析15020綜放工作面開采對內(nèi)錯尾巷采用混凝土柱加固的可行性，通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件，根據(jù)新景煤礦15020工作面具體的地質(zhì)條件建立模型，分析工作面前方內(nèi)錯尾巷圍巖應力分布情況。模型尺寸為：長×寬×高=600 m×120 m×46.5 m，工作面沿X軸方向布置，沿Y軸方向推進，煤巖體采用理想的彈塑性巖體材料[3]，采用摩爾-庫倫強度準則，模型邊界條件：前后左右水平方向上為零位移，底部邊界垂直方向上位移為零，上部邊界為自由面，施加13.2 MPa的均布載荷。模擬在原有支護條件下和采用高強度混凝土支柱支護后15020工作面的回采，觀測15020內(nèi)錯尾巷圍巖塑性破壞特征。

圖3 原有支護條件下圍巖塑性破壞特征

圖4 采用混凝土柱加固后圍巖塑性破壞特征

由于篇幅所限，僅將典型的結(jié)果展示如圖3、4所示，由模擬結(jié)果可知，隨著與回采工作面距離的增加，15020內(nèi)錯尾巷圍巖的塑性破壞范圍逐漸減小。采用鋼筋混凝土支柱加強支護條件后，工作面回采期間在15020內(nèi)錯尾巷同等位置頂?shù)装寮皟蓭偷乃苄云茐姆秶黠@減小，尤其是在工作面前方60 m處，底板塑性破壞深度由5 m減小為3 m，頂板破壞深度減小非常顯著，通過混凝土支柱加固能夠減小兩幫的載荷，提高巷道圍巖的穩(wěn)定性，減緩巷道斷面收縮變形的速率，使巷道斷面滿足工作面正常生產(chǎn)的要求。

4 15020內(nèi)錯尾巷加強支護技術(shù)應用

4.1 現(xiàn)場應用

15020內(nèi)錯尾巷巷道斷面為矩形，斷面尺寸：寬×高=4.0 m×2.2 m，15020內(nèi)錯尾巷混凝土支柱采用C30水泥預制而成[4]，為了運輸和施工方便將支柱制成4種規(guī)格的標準件，在巷道中心線位置進行堆疊組裝形成支柱，混凝土支柱的主承載面的直徑為0.3 m，底板處直徑為0.5 m。綜合考慮經(jīng)濟、施工等多方面因素，超前支護采用木支柱和混凝土支柱根據(jù)現(xiàn)場圍巖條件階段性布置，支柱布置如圖5所示。

4.2 效果監(jiān)測

在原有支護條件下15020內(nèi)錯尾巷距離切眼600 m處，加強支護的木柱全部被折斷，巷道斷面收縮嚴重，巷道高度不足0.8 m，收縮率達71%。為考察混凝土柱加強支護的效果，在15020內(nèi)錯尾巷內(nèi)超前工作面適當?shù)木嚯x，在木柱支護區(qū)段和混凝土支護區(qū)段分別布置圍巖位移測點，整理后得到如圖6所示的結(jié)果。

圖5 15020混凝土柱支護示意

圖6 圍巖位移變化曲線

根據(jù)現(xiàn)場礦壓觀測結(jié)果可知，15020內(nèi)錯尾巷圍巖位移量隨著與工作面距離的增大而減小。木柱支護段，頂?shù)装遄畲笠七M量為500 mm，兩幫最大移進量為170 mm，斷面損失率約為17%?；炷林訌娭ёo段，頂?shù)装遄畲笠七M量為260 mm，兩幫最大移進量為110 mm，斷面收縮率約為8%。觀測結(jié)果表明，采用混凝土柱進行加強支護后，15020內(nèi)錯尾巷斷面收縮率保持在17%以下，能夠滿足工作面正常生產(chǎn)的要求。

5 結(jié) 語

針對新景煤礦15020工作面回采期間其內(nèi)錯尾巷超前工作面一定距離內(nèi)，圍巖失穩(wěn)破壞的情況，采用混凝土柱進行加固，通過高強度的支柱將頂板壓力傳遞到底板來抑制底鼓，并且能夠減輕巷幫受力來減小兩幫的變形量。現(xiàn)場應用結(jié)果表明，采用混凝土柱加強支護后，木柱支護段，頂?shù)装遄畲笠七M量為500 mm，兩幫最大移進量為170 mm，斷面損失率約為17%?；炷林訌娭ёo段，頂?shù)装遄畲笠七M量為260 mm，兩幫最大移進量為110 mm，斷面收縮率約為8%。15020內(nèi)錯尾巷斷面積普遍保持在7.3 m2以上，斷面收縮率最大僅為17%，整體來說效果良好。