李善鵬

(煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100000)

0 引言

厚煤層的合理開發(fā)對我國煤炭行業(yè)的發(fā)展有著重要的影響。一次采全高是開采厚煤層的重要技術(shù)方法，在回采過程中研究圍巖礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，為后續(xù)相鄰工作面或類似地質(zhì)條件下綜采工作面的初采、正?；夭?、末采的礦壓管理、支架配套選型、巷道支護(hù)管理等提供技術(shù)參考依據(jù)，以便在后續(xù)工作面支護(hù)中及時(shí)調(diào)整，確保生產(chǎn)安全具有重要意義[1-3]。基于此，根據(jù)文家坡煤礦4102工作面的地質(zhì)條件和巖體力學(xué)性質(zhì)，結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)條件，采用理論研究、理論計(jì)算、數(shù)值模擬及現(xiàn)場實(shí)測方法，對文家坡礦4102工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、現(xiàn)有支護(hù)存在問題、巷道底鼓以及修巷方案等問題進(jìn)行研究，最終提出相應(yīng)的技術(shù)方案，并在現(xiàn)場對優(yōu)化方案進(jìn)行了實(shí)測。

1 工作面概況

文家坡煤礦4102工作面位于41盤區(qū)東側(cè)，為41盤區(qū)第二個(gè)回采工作面。工作面西邊為4103(準(zhǔn)備工作面)，東邊為4101(已回采結(jié)束)，北邊為紅涯河保護(hù)煤柱，南邊為41盤區(qū)開拓大巷。主采4#煤層，煤層結(jié)構(gòu)較簡單，煤層中含夾矸0～2層，夾矸厚度為0～0.7 m，夾矸巖性為泥巖。煤層為條帶狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，煤層厚度(含夾矸)在3.76～4.32 m，平均厚度為3.93 m。直接頂巖性為泥巖泥巖、細(xì)砂巖、粗砂巖，厚度為1.99～4.09 m，平均2.09 m；老頂巖性為細(xì)粒砂巖、中砂巖或粗砂巖，厚度為1.95～13.3 m，平均5.45 m；直接底巖性為泥巖、細(xì)砂巖，厚度為2.02～5.32 m，平均3.67 m；老底巖性為泥巖、細(xì)砂巖，厚度為3.18～6.4 m，平均4.22 m。

2 煤巖物理參數(shù)測定

2.1 物理參數(shù)測定方案

煤(巖)力學(xué)參數(shù)是理論分析計(jì)算的主要依據(jù)，試驗(yàn)測試內(nèi)容主要包括單軸抗壓強(qiáng)度、單軸抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角等。在文家坡礦4102回風(fēng)順槽1 050 m處選取5個(gè)鉆孔進(jìn)行取樣。利用133 mm取芯套筒所取巖樣，取樣巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD分別為43.9%、48.2%、44.9%、45.9%和44.5%，取樣質(zhì)量較差。結(jié)合礦井地質(zhì)勘探資料，綜合考慮從中所取的巖樣按巖性大致可劃分為泥巖、砂巖、粉砂巖和煤4種類型在進(jìn)行巖石力學(xué)性能測試時(shí)，按這4種巖性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測定，后期數(shù)據(jù)整理也按照這4種巖性進(jìn)行分類匯總。

2.2 物理參數(shù)測定成果

實(shí)驗(yàn)采用SANS實(shí)驗(yàn)機(jī)，通過測試和數(shù)據(jù)處理，文家坡礦4102工作面巷道圍巖的單軸抗壓強(qiáng)度、單軸抗拉強(qiáng)和抗剪強(qiáng)度測定結(jié)果如表1所示。

根據(jù)測試結(jié)果可知，4102工作面圍巖物理強(qiáng)度低，巷道圍巖的承壓能力較弱，容易出現(xiàn)巷道圍巖變形的情況，在工作面回采過程中應(yīng)根據(jù)制定科學(xué)合理，適合該工作面實(shí)際情況的支護(hù)方案。

表1 4102工作面圍巖物理參數(shù)

3 巷道支護(hù)方案優(yōu)化

4102工作面順槽支護(hù)采用φ22×2 500 mm BHRB335高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，間排距為750 mm×750 mm，每排20根；頂板預(yù)緊力矩不小于240 N·m，幫部預(yù)緊力矩不小于200 N·m，錨固力不小于110 kN；頂部錨桿與BHW-280-3.0-5.4型W鋼帶(長度5.4 m，寬度280 mm，厚度3 mm)配合使用，W鋼帶沿巷道斷面布置；幫部與規(guī)格為400 mm×250 mm×50 mm的木托板配合使用；頂角錨桿扎角20°，底角錨桿扎角10°；錨索采用1×19芯結(jié)構(gòu)、φ21.6×8 800 mm鋼鉸線，間排距1 200 mm×1 500 mm，每排5根；錨索托盤采用300 mm×300 mm×20 mm碟形托盤；預(yù)緊力210 kN，錨固力不小于300 kN；錨索與BHW-280-5.0-5.0型W鋼帶(長度5.0 m，寬度280 mm，厚度5 mm)配合使用，W鋼帶沿巷道斷面布置；頂部采用Φ6 mm的Q235鋼筋焊制的金屬網(wǎng)護(hù)表，網(wǎng)格100 mm×100 mm，網(wǎng)幅1 700 mm×1 000 mm；幫部采用塑鋼網(wǎng)護(hù)表，網(wǎng)幅4 000 mm×1 000 mm；網(wǎng)片壓茬連接(包括幫頂處，即巷道頂角或肩窩)，連接點(diǎn)要均勻布置，搭接長度不小于100 mm，相鄰兩塊網(wǎng)之間要用16#鐵絲連接扎牢；順槽支護(hù)斷面如圖1所示。

圖1 回風(fēng)順槽支護(hù)斷面圖

根據(jù)巷道支護(hù)及維護(hù)實(shí)際情況，對圍巖變形嚴(yán)重和已損巷道進(jìn)行二次補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)可采用縮小錨桿(索)間排距、錨索托梁(錨索與16#槽鋼配合使用，槽鋼沿巷道斷面布置)和架棚等方式。

4 礦壓監(jiān)測

在4102工作面回風(fēng)順槽距切眼200 m處布置圍巖變形監(jiān)測站，此后，每隔50～100 m布置1個(gè)測站。

4.1 工作面圍巖變形監(jiān)測結(jié)果

根據(jù)監(jiān)測方案(見圖3)，在4102回風(fēng)順槽巷道內(nèi)，進(jìn)行巷道頂板及兩幫位移的監(jiān)測，共設(shè)置19組測點(diǎn)，數(shù)據(jù)的監(jiān)測精度為mm。測得數(shù)據(jù)后，根據(jù)結(jié)果繪制巷道頂板及兩幫變形曲線圖，如圖2所示。

圖2 4102工作面巷道圍巖變形相關(guān)曲線圖

由圖2可知，觀測27 d，測站一處頂?shù)装遄畲罄鄯e移近量為248 mm，兩幫最大累積移近量為251 mm；觀測9 d之內(nèi)，巷道圍巖變形基本趨于穩(wěn)定；頂?shù)装遄畲笠平俾蕿?9.6 mm/d，兩幫最大移近速率31 mm/d，均出現(xiàn)在測站布設(shè)后第27 d，后期圍巖移近速率較大。測站一處圍巖移近量整體不大，屬回采期間圍巖應(yīng)力重新分布、變形正常釋放過程。

4.2 工作面切眼支架阻力監(jiān)測

為分析工作面切眼內(nèi)不同部位頂板的來壓規(guī)律、顯現(xiàn)程度、支架的承載特性，進(jìn)而掌握整個(gè)工作面的壓力分布情況，在整個(gè)工作面液壓支架安裝在線監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)收集和讀取支架受力大小。通過分析液壓支架工作阻力計(jì)算得出4102工作面來壓步距(見圖3)。工作面上部、中部和下部平均來壓步距分別為24.4 m、24.82 m和23.64 m，工作面平均來壓步距為24.29 m。

圖3 4102工作面來壓步距圖

4.3 礦壓規(guī)律分析

4102工作面的頂板變形可以分為4個(gè)過程：①距離工作面大于100 m時(shí)，巷道頂板及兩幫變形量平均變形量不超過1mm/d，比較穩(wěn)定。②距離工作面60～100m時(shí)，巷道頂板及兩幫變形量開始變大，最大10～12 mm/d，考慮周期來壓影響，屬于正常情況。③距離工作面60～30 m時(shí)，出現(xiàn)超前應(yīng)力影響區(qū)，巷道頂板及兩幫變形量出現(xiàn)較大變化，但圍巖移近速率不超過15 mm/d。④距離工作面小于30 m時(shí)，出現(xiàn)超前應(yīng)力影響劇烈區(qū)，巷道頂板及兩幫變形量變化出現(xiàn)較為劇烈的變化，圍巖移近速率不超過30 mm/d。頂?shù)准皟蓭屠鄯e移近均小于300 mm，基本滿足回采要求。

5 結(jié)語

本文經(jīng)過理論研究、數(shù)值測定、支護(hù)優(yōu)化、現(xiàn)場監(jiān)測，對文家坡煤礦4102工作面的巷道圍巖變形嚴(yán)重、支護(hù)難度大的問題進(jìn)行解決。首先確定工作面頂?shù)装宓膸r性情況，采用科學(xué)合理的技術(shù)手段對圍巖進(jìn)行了取芯并測定其物理參數(shù)，再根據(jù)結(jié)果制定工作面巷道支護(hù)優(yōu)化方案，方案實(shí)施后進(jìn)行現(xiàn)場礦壓監(jiān)測并繪制相關(guān)曲線圖。實(shí)際監(jiān)測結(jié)果證明：該支護(hù)方案能夠有效減少工作面回采期間的圍巖變形，為礦井在4盤區(qū)后續(xù)工作面的施工提供了可靠的理論基礎(chǔ)及數(shù)據(jù)支持。