陳志維，趙吉文，秦文軍，張彥董

(1.國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司，寧夏回族自治區(qū)銀川市，750408；2.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116)

隨著煤礦機(jī)械化開采技術(shù)的快速發(fā)展，工作面回采速度也隨之加快，在礦井工作面接替緊張的情況下，便出現(xiàn)了上一工作面采動(dòng)影響尚未完全穩(wěn)定即刻回采相鄰工作面，回采巷道將受上一工作面采空區(qū)高殘余支承壓力和本工作面超前支承壓力的雙重疊加作用[1-3]，即呈現(xiàn)鄰空動(dòng)壓狀態(tài)，從而引起巷道頂板變形劇烈、煤柱炸幫和嚴(yán)重底鼓等異常動(dòng)壓顯現(xiàn)，甚至誘發(fā)沖擊礦壓、頂板垮落等災(zāi)害事故。以小紀(jì)汗煤礦11213工作面剩余段回收為工程背景，在分析鄰空綜采工作面回采期間礦壓分布特征及借鑒相似礦井動(dòng)壓巷道[4-5]治理措施的基礎(chǔ)上，闡述了支承壓力疊加區(qū)概念及動(dòng)壓巷道“卸-支”圍巖控制體系，并依據(jù)工程地質(zhì)條件設(shè)計(jì)了具體防控支護(hù)方案。

1 工程概況

小紀(jì)汗煤礦位于榆林市榆陽區(qū)，礦井采用斜井開拓、盤區(qū)條帶式開采。目前已裝備2套綜采工作面、3套連續(xù)采煤機(jī)掘進(jìn)工作面，其中，11213綜采工作面布置如圖1所示。

圖1 11213綜采工作面布置

礦井工作面原接替順序?yàn)?1213綜采工作面回采結(jié)束后再回采相鄰11215工作面。11213工作面原設(shè)計(jì)推進(jìn)長度為3 625 m，采區(qū)平均煤層厚度4.70 m，工作面采用ZY12000/28/58型液壓支架。在11213工作面推進(jìn)到距終采線1 085 m處時(shí)，煤層平均厚度變?yōu)?.31 m，而ZY12000/28/58型液壓支架三機(jī)配套回采合理高度最低是3.60 m，不能達(dá)到回采要求。小紀(jì)汗煤礦研究決定停止11213工作面，轉(zhuǎn)采11215工作面。目前，11215工作面已加采完畢，需對(duì)11213工作面剩余段進(jìn)行回采。由于兩個(gè)工作面相鄰，且11215工作面采空區(qū)穩(wěn)定時(shí)間短(3個(gè)月)，11213工作面回風(fēng)巷同時(shí)承受11215工作面采空區(qū)殘余側(cè)向支承壓力和11213工作面超前支承壓力的雙重作用，處于鄰空動(dòng)壓狀態(tài)，巷道因受壓過大而變形嚴(yán)重。因此，如何有效控制鄰空動(dòng)壓巷道圍巖的穩(wěn)定性已成為安全回采11213工作面剩余段亟需解決的技術(shù)難題。

11213工作面位于2號(hào)煤層11盤區(qū)，東鄰11211工作面，西鄰11215工作面，南鄰5條大巷。工作面長279.5 m，剩余段推進(jìn)長度1 085 m。11213工作面所采2號(hào)煤層屬復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層，煤層傾角0°～1.0 °，平均傾角0.7 °，工作面剩余段煤層厚度2.78～4.00 m，煤層平均厚度3.31 m，煤層基本頂為中-細(xì)粒長石砂巖，厚度7.66～18.67 m，灰色、塊狀、水平層理；直接頂為粉砂質(zhì)泥巖，厚度0～5.00 m，灰色、中厚層、泥質(zhì)膠結(jié)、水平層理；直接底為粉砂質(zhì)泥巖，厚度0.18～4.21 m，灰色、遇水易軟化、波狀層理。

2 鄰空動(dòng)壓巷道治理機(jī)理

2.1 采動(dòng)礦壓分布規(guī)律

2.1.1 采動(dòng)引起的周圍支承壓力

煤層開采打破了采場(chǎng)原巖應(yīng)力場(chǎng)的原始平衡狀態(tài)，使得采場(chǎng)周圍應(yīng)力重新分布。在綜采工作面前方形成隨工作面推進(jìn)向前推移的超前支承壓力區(qū)，工作面?zhèn)认蛐纬蓱?yīng)力數(shù)值基本不變的側(cè)向固定支承壓力區(qū)；工作面推過一定距離后，采空區(qū)上覆巖層活動(dòng)將趨于穩(wěn)定，在工作面后方形成數(shù)值較小的采空區(qū)殘余支承壓力區(qū)。其中側(cè)向固定支承壓力影響范圍15～30 m，超前支承壓力峰值位置距煤壁5～10 m，相當(dāng)于2.0～3.5倍的回采高度[1]。工作面周圍支承應(yīng)力分布如圖2所示。

1-工作面前方超前壓力；2-工作面?zhèn)认蛑С袎毫Γ?-工作面后方支承壓力

2.1.2 支承壓力疊加區(qū)

由采動(dòng)引起的采場(chǎng)周圍支承壓力的分布特征可知，隨著回采工作面的向前推移，在工作面煤壁前方形成超前支承應(yīng)力，而相鄰采空區(qū)由于穩(wěn)定期短，仍有較高的殘余支承壓力，此時(shí)存在既承受回采工作面超前支承壓力和相鄰采空區(qū)殘余支承壓力雙重影響的區(qū)域稱為支承壓力疊加區(qū)[5]。支承壓力疊加區(qū)示意如圖3所示，圖中ABCD區(qū)域?yàn)橹С袎毫ΟB加區(qū)。依據(jù)回采引起的支承應(yīng)力分布規(guī)律，研究得出支承壓力疊加區(qū)以下特點(diǎn)：疊加支承應(yīng)力最大值在C點(diǎn)處，此處應(yīng)力增高系數(shù)可達(dá)5～7；沿CB、CA及CD疊加應(yīng)力逐漸減??；C點(diǎn)位于沿推進(jìn)方向距回采工作面煤壁4～8 m，沿垂直推進(jìn)方向距鄰近采空區(qū)15～30 m，即疊加支承應(yīng)力最高點(diǎn)大致在回風(fēng)巷兩側(cè)各5 m范圍內(nèi)。

圖3 支承壓力疊加區(qū)示意

2.2 “卸-支”圍巖控制體系

據(jù)統(tǒng)計(jì)，動(dòng)壓巷道占煤礦巷道80%以上，并且每年新掘1萬km以上。該類巷道周圍應(yīng)力集中系數(shù)高巷道變形破壞嚴(yán)重維護(hù)難度大，導(dǎo)致工作面推進(jìn)速度慢、支護(hù)成本高、巷道回采期間返修次數(shù)多，嚴(yán)重制約礦井采掘銜接和經(jīng)濟(jì)效益。為采取有效措施治理鄰空動(dòng)壓巷道變形，經(jīng)查閱文獻(xiàn)對(duì)全國受動(dòng)壓困擾的部分礦井進(jìn)行調(diào)查研究，并對(duì)上述礦井鄰空動(dòng)壓巷道治理經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)分析，研究提出“卸-支”圍巖控制體系。具體包括巷道圍巖卸壓技術(shù)、高預(yù)緊力桁架錨索支護(hù)和特殊地段補(bǔ)強(qiáng)加固。

2.2.1 卸壓支護(hù)技術(shù)

卸壓支護(hù)技術(shù)就是通過鉆孔卸壓、鉆孔松動(dòng)爆破卸壓、開槽(縫)卸壓、開掘卸壓巷卸壓等手段和方法創(chuàng)造圍巖能量釋放空間，降低積聚在圍巖中的應(yīng)變能，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)巷道周邊的高應(yīng)力向圍巖深部轉(zhuǎn)移，有效降低巷道周圍煤巖體應(yīng)力集中。卸壓支護(hù)技術(shù)方法較多，其中鉆孔卸壓和鉆孔松動(dòng)爆破卸壓是兩種常規(guī)卸壓手段[6-9]。兩種卸壓方法的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表1。

表1 巷道圍巖卸壓方法分析對(duì)比

2.2.2 高預(yù)緊力桁架錨索支護(hù)技術(shù)

高預(yù)緊力桁架錨索支護(hù)[10-13]是以巷道覆巖兩肩窩深部巖體為錨索錨固點(diǎn)，采用專用張拉機(jī)具通過專用連接器將傾斜的高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線鎖緊，使之對(duì)巷道頂板同時(shí)產(chǎn)生垂直和水平兩方向上的擠壓應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)對(duì)頂板淺部圍巖的兜護(hù)和對(duì)上覆巖層整體性的加固。該支護(hù)主要由高強(qiáng)度鋼絞線、鎖具、專用聯(lián)接器和錨固劑等組成，實(shí)物如圖4所示。

圖4 桁架錨索支護(hù)組成部分實(shí)物

與垂直布置的單個(gè)錨索形成的“圓錐型”受力結(jié)構(gòu)(對(duì)周圍巖體只產(chǎn)生垂直應(yīng)力作用)相比，桁架錨索支護(hù)在巷道截面上形成“凹槽型”支護(hù)結(jié)構(gòu)，對(duì)頂板產(chǎn)生三向壓力，使圍巖更為穩(wěn)定。桁架錨索支護(hù)頂板巖體受力狀態(tài)如圖5所示。

圖5 桁架錨索支護(hù)頂板巖體受力狀態(tài)

3 鄰空動(dòng)壓巷道穩(wěn)定性控制措施

3.1 鉆孔卸壓技術(shù)

基于鉆孔卸壓和鉆孔松動(dòng)爆破卸壓的優(yōu)缺點(diǎn)，采用鉆孔卸壓技術(shù)預(yù)先處理11213工作面的支承壓力疊加區(qū)。通過統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)值模擬和理論計(jì)算等方法確定了11213回風(fēng)巷采用鉆孔直徑100 mm、鉆孔間距1 000 mm和鉆孔深度8 m的卸壓方案。鉆孔布置如圖6所示。

圖6 卸壓鉆孔布置

11213綜采工作面剩余段回風(fēng)巷為原11213綜采工作面運(yùn)輸巷，巷道斷面為5.5 m×3.7 m(寬×高)的矩形斷面。11213回風(fēng)巷支護(hù)布置如圖7所示，圖中紅色為補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

圖7 11213回風(fēng)巷支護(hù)斷面布置

(1)巷道頂板采用高預(yù)緊力桁架錨索支護(hù)技術(shù)。錨索采用Φ17.8 mm×6 000 mm高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，排距以1 800 mm和2 700 mm交替布置，每2.5 m布置1組，每組2根，鉆孔傾斜角度與頂板垂線的夾角15°,錨索錨固力不小于200 kN，預(yù)緊力不小于180 kN。

(2)煤柱幫采用錨桿+錨索+鋼帶聯(lián)合支護(hù)。距巷道頂板500、1 500 mm處補(bǔ)打錨索，距頂板2 800 mm處補(bǔ)打錨桿，排距均為1 500 mm，其中錨索采用Φ17.8 mm×6 000 mm高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，錨桿采用Φ16 mm×1 800 mm圓鋼錨桿，采用BHW-280-3.00型、長度為2.8 m的鋼帶，每根鋼帶上施工2根錨索+1根錨桿。

(3)回采幫補(bǔ)打3根Φ22 mm×2 400 mm全螺紋玻璃鋼復(fù)合材料錨桿，礦用阻燃塑料網(wǎng)片聯(lián)合支護(hù)。玻璃鋼錨桿間排距為1 000 mm×1 500 mm。

3.3 特殊地段補(bǔ)強(qiáng)加固

3.3.1 端頭支護(hù)

端頭區(qū)控制現(xiàn)多采用端頭液壓支架與單體液壓支柱超前支護(hù)聯(lián)合支護(hù)方式?？紤]到11213工作面端頭應(yīng)力集中程度較高，可適當(dāng)提高端尾支架的初撐力，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際及時(shí)調(diào)整支架支護(hù)強(qiáng)度；延長回風(fēng)巷單體液壓支柱超前支護(hù)距離，由30 m延伸至80 m，并用安全帶連接相鄰單體支柱手把防止支柱傾倒。單體液壓支柱超前支護(hù)如圖8所示。

3.3.2 倒車硐或聯(lián)巷

在過倒車硐硐口或聯(lián)巷口期間在聯(lián)巷口增加單體支護(hù)，增加單體支護(hù)的每個(gè)聯(lián)巷口不得小于4根，以保證支護(hù)質(zhì)量，如圖8所示。聯(lián)巷口的單體支護(hù)不得提前回撤，只有端頭支架的底座與單體對(duì)齊后方才可回撤。

圖8 單體液壓支柱超前支護(hù)示意

3.3.3 水倉

由于水倉與巷道棱角處應(yīng)力高度集中，同時(shí)水倉周圍煤柱及底板長期浸水軟化，導(dǎo)致煤體及巖體強(qiáng)度降低，故工作面過水倉時(shí)巷道圍巖極易出現(xiàn)失穩(wěn)，通常在水倉內(nèi)支設(shè)單體支柱補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。但水倉底板需起底1.0～1.2 m，導(dǎo)致單體支柱不接頂或接頂不充分，需在水倉頂板施工錨吊梁支護(hù)，在工字鋼下方支設(shè)單體支柱。其中錨吊梁施工采用錨索+12號(hào)工字鋼+木垛支護(hù)方式，水倉錨吊梁支護(hù)平面及剖面如圖9所示。

圖9 水倉錨吊梁支護(hù)

4 圍巖變形監(jiān)測(cè)分析

在11213回風(fēng)巷距工作面5、10、15、20、25 m 處安設(shè)了5個(gè)“十字布樁”觀測(cè)巷道表面位移變形情況，在距工作面3、8、13、18、23 m處安設(shè)了5個(gè)深度3 m頂板離層監(jiān)測(cè)儀觀測(cè)巷道頂板離層現(xiàn)象，觀測(cè)點(diǎn)布置如圖10所示。回采期間巷道頂?shù)装逡平?、兩幫移近量的?shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖11所示，由圖11可知，巷道頂?shù)装逡平考皟蓭鸵平吭诰喙ぷ髅? m處，分別為226、248 mm。距工作面距離越遠(yuǎn)，巷道頂?shù)装逡平考皟蓭鸵平吭叫。?dāng)距工作面的距離超過30 m后，頂?shù)装逡平口呌?6 mm，兩幫移近量趨于62 mm。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，在工作面回采期間采用鉆孔卸壓技術(shù)配合高預(yù)緊力桁架錨索支護(hù)將巷道圍巖變形控制在允許范圍內(nèi)，保證了巷道的正常使用。

圖10 巷道變形測(cè)點(diǎn)布置

圖11 回采期間巷道圍巖變形實(shí)測(cè)

對(duì)11213工作面回風(fēng)巷5個(gè)頂板離層儀所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，5個(gè)測(cè)點(diǎn)頂板離層量均較小，最大值分別為15.0、6.0、23.0、12.0、8.5 mm，說明巷道頂板在工作面回采期間支護(hù)效果較好，巷道安全性得到了保障。

5 結(jié)論

(1)針對(duì)小紀(jì)汗煤礦11213工作面剩余段回采中鄰空巷道動(dòng)壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈、圍巖難以支護(hù)的難題，提出了支承壓力疊加區(qū)概念及動(dòng)壓巷道“卸-支”圍巖控制體系。該體系的關(guān)鍵技術(shù)主要包括提前釋放動(dòng)壓區(qū)集中應(yīng)力的鉆孔卸壓技術(shù)、加固巷道頂板的高預(yù)緊力桁架錨索支護(hù)技術(shù)和特殊地段的補(bǔ)強(qiáng)加固措施等。

(2)結(jié)合小紀(jì)汗煤礦已有支護(hù)經(jīng)驗(yàn)和具體采礦地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)了11213綜采面回采巷道動(dòng)壓防控支護(hù)方案，為鄰空動(dòng)壓巷道圍巖穩(wěn)定及11213工作面剩余煤體的安全回采提供了保障。

(3)通過監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，頂?shù)装逡平孔畲筮_(dá)到226 mm，兩幫移近量最大達(dá)到248 mm，在巷道允許變形范圍內(nèi)，工作面回采期間采用鉆孔卸壓技術(shù)配合高預(yù)緊力桁架錨索支護(hù)有效控制了巷道圍巖變形，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好。