任兆鑫

(山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán) 毛則渠煤炭有限公司，山西 臨汾 042100)

1 工程概況

毛則渠井田209工作面運輸巷位于采區(qū)西翼，巷道布置沿2號煤層底板掘進(jìn)，煤層平均厚度為7.06 m，煤層一般含1～3層夾石，最多可達(dá)5層，夾石一般厚度0.20 m左右，結(jié)構(gòu)為簡單-復(fù)雜。巷道為南北走向布置。209工作面運輸巷掘進(jìn)800 m過程中共揭露8條空巷，有上分層空巷、中分層空巷和底煤空巷，分別與工作面平行、斜交、立交布置，工作面空巷分布及位置關(guān)系見表1。

表1 空巷特征

209運輸巷巷道斷面設(shè)計為梯形，巷道凈高2.6 m，巷道上寬3.7 m，下寬4.5 m。巷內(nèi)采用梯形棚支護(hù)(12號工字鋼)，棚距700 mm，全斷面采用金屬網(wǎng)+木背板腰幫背頂，棚腿處采用地梁+鋼釘限制棚腿移動，地梁為12號工字鋼，長度為2 600 mm，鋼釘規(guī)格為直徑×長度=30 mm×400 mm，具體209工作面運輸巷支護(hù)斷面示意如圖2所示。為保障巷道順利掘進(jìn)通過空巷區(qū)域，特進(jìn)行掘進(jìn)過空巷技術(shù)研究。

圖2 巷道支護(hù)斷面圖(mm)

2 復(fù)采區(qū)域圍巖變形機(jī)理

毛則渠井田2號煤層大部分厚約2.5 m的上分層，由歷代小井采用短壁房柱式和巷柱式開采，致使上分層形成的空間結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，其中下分層剩余煤體厚度約為4.5 m，采用放頂煤工藝回采?，F(xiàn)采用數(shù)值模擬方法，對毛則渠煤礦2號煤層在房柱式開采條件下，頂板運動及垮落情況特征進(jìn)行分析，為巷道掘進(jìn)過空巷圍巖控制提供基礎(chǔ)依據(jù)。

根據(jù)209工作面開采過程和巷道布置完全按照毛則渠煤礦2號煤層舊式開采的情況，模型尺寸為：155 m×130 m×59.5 m，邊界各留20 m煤柱用以消除邊界效應(yīng)影響[1-3]，全網(wǎng)格劃分為42萬個單元，具體數(shù)值模型如圖3所示。

圖3 數(shù)值模型示意

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，具體進(jìn)行房柱式開采后圍巖應(yīng)力及塑性區(qū)分布特征，分析如下。

1) 煤柱區(qū)域垂直應(yīng)力分布云圖如圖4所示。

圖4 煤柱垂直應(yīng)力等值線云圖

從圖4可以看出，煤層經(jīng)過小窯采動破壞后，在遺留的倉房煤柱區(qū)域均存在不同程度的應(yīng)力集中，部分區(qū)域最大垂直應(yīng)力達(dá)到1.76 MPa，最大應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)2，另外遺留煤柱區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象基本均出現(xiàn)在煤柱的中心區(qū)域，即煤柱的中心區(qū)域為應(yīng)力集中最大處，該處承受的應(yīng)力值最大。在倉房區(qū)的上方，由于上覆巖層大部分均由下方的煤柱所支承，倉房區(qū)域的頂板應(yīng)力會通過倉房煤柱向煤層底板傳遞，進(jìn)而表現(xiàn)為倉房區(qū)域頂板應(yīng)力相對較低，倉房區(qū)域的煤柱垂直應(yīng)力較小，另外在倉房區(qū)的中部區(qū)域還存在拉應(yīng)力區(qū)域，最大拉應(yīng)力達(dá)到0.5 MPa，由于煤層經(jīng)歷小窯采動影響后，煤層破壞程度較大，且煤層能夠承受的拉應(yīng)力較小，因此在煤層拉應(yīng)力區(qū)域易產(chǎn)生冒頂破壞，故而在該區(qū)域進(jìn)行采掘作業(yè)時，應(yīng)加強(qiáng)巷道支護(hù)，確保采掘作業(yè)的安全，避免出現(xiàn)冒頂事故。在煤柱區(qū)域進(jìn)行巷道掘進(jìn)作業(yè)時，巷道幫部也出現(xiàn)一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，巷幫應(yīng)力集中最大值出現(xiàn)巷幫中部區(qū)域，該區(qū)域的應(yīng)力集中最大值達(dá)到1.9，煤柱區(qū)域頂板中部同樣存在拉應(yīng)力區(qū)域，最大拉應(yīng)力達(dá)到0.2 MPa；另外在采掘擾動下，巷道周圍存在一定的卸壓區(qū)域，但煤柱區(qū)域相較于倉房區(qū)域其卸壓區(qū)域及范圍較小。

綜合上述分析可知，巷道掘進(jìn)通過空巷破碎區(qū)域時，掘進(jìn)期間應(yīng)重點加強(qiáng)頂板及煤柱角點的支護(hù)[4-6]。

2) 根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得出，當(dāng)采用房柱式開采后，圍巖塑性區(qū)的破壞特征如圖5所示。

圖5 煤柱破壞區(qū)分布示意

從圖5(a)中可知，房柱式開采后，遺留煤柱塑性區(qū)基本均處于煤柱的邊緣和四角區(qū)域，這與垂直應(yīng)力分布云圖分析結(jié)果相一致，煤柱在集中應(yīng)力作用下塑性區(qū)不斷發(fā)育，煤柱塑性區(qū)發(fā)育范圍小，彈性區(qū)范圍大，彈性區(qū)占到煤柱整體寬度的60%，塑性區(qū)的發(fā)育寬度僅為1～1.3 m。房柱式開采倉房區(qū)圍巖破壞分布范圍如圖5(b)所示，可以看出，倉房區(qū)破壞范圍較大且呈拱形，最大破壞高度延伸至基本頂下部，高達(dá)4.8 m，煤柱破壞深度為1.3 m，底板破壞深度1.2 m。巷道周圍煤巖體破壞區(qū)分布如圖5(c)所示，可以看出，巷道頂板破壞較為嚴(yán)重，破壞深度達(dá)到直接頂下方，高達(dá)2.5 m，底板破壞深度亦為1 m，巷道兩幫破壞深度為1 m。

3 掘進(jìn)過空巷技術(shù)方案

根據(jù)209工作面運輸巷的具體地質(zhì)條件，結(jié)合前述復(fù)采區(qū)域圍巖變形機(jī)理的分析結(jié)果，確定復(fù)采區(qū)域掘進(jìn)巷道圍巖控制的關(guān)鍵技術(shù)：低擾動掘進(jìn)+高剛度支護(hù)。具體巷道掘進(jìn)過空巷的方案如下：

1) 低擾動掘進(jìn)：巷道掘進(jìn)時，采取“短進(jìn)尺、小擾動”的施工原則，避免巷道掘進(jìn)對圍巖產(chǎn)生過大的擾動，并及時對揭露的圍巖進(jìn)行支護(hù)。撞楔法的優(yōu)點是工序簡單、施工費用低、材料消耗少、施工速度相對較快，而且與工字鋼棚配合使用，操作方便。實際應(yīng)用時還應(yīng)在掘進(jìn)工作面后及時用π型鋼梁和單體支柱加強(qiáng)超前臨時支護(hù)，以保證新揭露圍巖的穩(wěn)定性。撞楔的主要作用是鋼釬的梁效應(yīng)[7]，如圖6所示。

圖6 鋼釬的梁效應(yīng)圖

現(xiàn)有使用的鋼釬直徑一般均為30～50 mm，一頭削尖，一頭壓扁，削尖一頭利于穿入煤巖體，壓扁一頭利于捶打，鋼釬長度一般為2.5～4 m，鋼釬布置間距一般為200～300 mm。

2) 高強(qiáng)度剛性支護(hù)：掘進(jìn)工作面與空巷相交時靈活采用縮小棚距或?qū)ε?、錨注、錨拉支架以及采用料石砌墻等多種加強(qiáng)支護(hù)方式。一般情況下，可采取縮小棚距或采用對棚并使用木垛配合方式加強(qiáng)支護(hù)。如果圍巖特別破碎，巖塊較小，頂板和兩幫流變性大或者空巷積水等情況下可采取錨注方式加固圍巖，并使圍巖與水隔離。對于空巷內(nèi)頂板強(qiáng)度較高，完整性較好，錨桿和錨索能夠鋪固在堅硬的巖層上，可采取錨拉支架方式進(jìn)行加固。復(fù)采巷道掘進(jìn)期間需要在空頂狀態(tài)下能夠接頂，采取打木垛的方式處理巷道空頂?shù)膯栴}，支護(hù)方案如圖7所示。

圖7 單體柱+鋼棚+料石墻砌筑支護(hù)示意

4 效果分析

209工作面運輸巷掘進(jìn)過空巷期間，在巷道迎頭布置礦壓監(jiān)測站，根據(jù)觀測結(jié)果能夠得出圍巖變形曲線如圖8所示。

圖8 巷道掘進(jìn)過空巷期間圍巖變形曲線圖

分析圖8可知，巷道掘進(jìn)過空巷期間，圍巖變形主要出現(xiàn)在掘出后的0～10 d內(nèi)，圍巖在巷道掘出后20 d后，圍巖基本處穩(wěn)定狀態(tài)，變形量不再增大，最終頂?shù)装寮皟蓭妥畲笞冃瘟糠謩e為89 mm和148 mm。

5 結(jié) 語

根據(jù)209工作面運輸巷特征，通過模擬分析復(fù)采區(qū)域圍巖變形機(jī)理，得出遺留煤柱內(nèi)最大應(yīng)力集中系數(shù)為1.9～2.0；得出房柱式開采倉房區(qū)和巷道區(qū)域圍巖塑性區(qū)的發(fā)育深度；根據(jù)復(fù)采區(qū)域圍巖變形機(jī)理，設(shè)計復(fù)采區(qū)域掘進(jìn)巷道采用低擾動掘進(jìn)+高剛度支護(hù)的支護(hù)方案，根據(jù)巷道掘進(jìn)過空巷區(qū)域圍巖變形觀測結(jié)果可知，現(xiàn)有掘進(jìn)過空巷方案能夠保障圍巖穩(wěn)定。