复杂地质条件综放工作面沿空巷道位置优选及支护研究

张俊恺

（华阳新材料科技集团二矿，山西 阳泉 045000）

华阳集团智能矿山事业部二矿（阳煤二矿）21306 综放工作面位于470 m 水平8 号煤十三采区，工作面埋深364～553 m，倾斜长214 m。工作面北部为矿界，西部为已回采完毕的21304 工作面，东部为规划的21308 工作面，南部为十三采区准备巷。8 号煤厚度5.6～7.1 m，平均6.35 m。基本顶为砂质泥岩，厚度为6.11 m；
直接顶为泥岩，厚度为3.9 m；
直接底为砂质泥岩，厚度为0.3 m；
基本底为细粒砂岩，厚度为7.7 m。21306 工作面预测断层F1～F5断距均大于煤层厚度的二分之一，对回采有一定影响；
CX1 陷落柱位于进风巷与回风巷之间，距切巷约1600 m，长轴长约48 m，短轴长约40 m，工作面内发育面积约1512 m2，对回采有影响；
预测地质异常体A1～A10，不排除煤层夹矸增厚的可能，周围瓦斯含量大，对回采有一定影响；
地应力较大，工作面平均埋深约498 m，水平应力较大，煤层厚度大，采动影响较剧烈。

邻近的21304 工作面与采空区间区段煤柱为30 m，但是邻近采空区的巷道仍变形破坏严重。为保障21306 运输顺槽的围岩稳定性，进行了相关研究。

邻近上区段工作面掘进的回采巷道，掘进期间受邻近工作面回采引起的侧向支承压力[1]影响，在本工作面回采期间又将受到超前支承压力的影响，区段煤柱宽度对于巷道围岩稳定性具有重要影响。为确定21306 运输顺槽最为合理区段煤柱，结合矿井现场情况，根据工作面开采范围内J14 钻孔柱状图，通过FLAC3D软件建立模拟模型[2]。模型共14个地层，各岩层的物理力学参数详见表1，宽度为500 m，高度为130 m，模型顶面埋深380 m，上部施加9.5 MPa 载荷，模型共划分为56 380 个单元。21304 工作面开挖厚度为6.4 m，在采空区右侧实体煤顶板布置一条测线，数值模拟方案及边界条件如图1（a），得到采空区覆岩稳定后实体煤顶板内侧向支承压力变化规律如图1（b）。

表1 21306 工作面各地层物理力学参数

图1 模拟方案及结果

根据图1（b）可知，实体煤顶板岩层内垂直应力随着与采空区侧向边缘距离的增大呈现出“增大-减小-稳定”的趋势。在采空区边缘附近浅部区域存在一定宽度的应力降低区，以原岩应力为评判标准，则确定应力降低区深度范围为0～8 m，应力峰值出现在距采空区边缘14 m 处。在留设一定宽度区段煤柱进行下区段回采巷道掘进时，若想杜绝邻近采空区侧向支承压力的影响，区段煤柱宽度需大于90 m，显然非常不经济合理，因此可考虑将沿空巷道布置在应力降低区内。考虑到华阳二矿属于高瓦斯矿井，区段煤柱需要起到隔绝上区段采空区的作用，避免采空区瓦斯、一氧化碳等有害气体渗透至回采巷道，煤柱宽度不易过小，同时需尽量减小侧向支承压力的影响，因此区段煤柱设计为6 m 最为合适。

3.1 掘巷支护

21306 运输顺槽埋深较大、断面大、动压影响明显、构造复杂，为保障巷道围岩的稳定，通过工程类比和理论分析初步确定掘巷阶段的支护方案，在工程应用阶段进行巷道位移变形监测，然后进一步对支护方案进行优化。

通过工程类比法提出采用以“高锚固力-高预紧力-强护表”为支护理念的锚网索联合支护[3-4]，通过理论计算确定顶板锚杆长度2400 mm、直径22 mm、间排距920 mm×2000 mm，最外侧锚杆与水平方向呈75°角布置，其余锚杆呈垂直方向布置，配合W 型钢带及双层菱形金属网护表；
锚索索体为Φ21.8-1×19-6300mm 钢绞线，布置间排距为1100 mm×2000 mm，顶板两腮部位布置角锚索，排距2000 mm；
两帮锚杆间排距1000 mm，锚索规格Φ17.8 mm×4300 mm ，配套采用 450 mm×280 mm×4 mm W 型钢护板。23106 运输顺槽沿空掘巷段具体布置详情及支护如图2。实体煤段支护方式与沿空段基本相同，仅是两帮均采用锚杆支护，未设置锚索。

图2 12306 运输顺槽支护详情

3.2 沿空掘巷喷浆封闭技术

为保障区段小煤柱隔绝采空区与巷道间空气流通的效果，滞后21304 工作面50 m 对沿空巷道煤柱帮及煤柱侧顶板进行喷浆封闭施工。浆液采用C25 细石混凝土，顶板喷浆宽度为1.5 m，小煤柱帮全部喷浆覆盖，喷浆封闭厚度不小于100 mm。

3.3 过断层巷道注浆加固技术

巷道掘进期间揭露断层、陷落柱及地质异常区时，为提高小煤柱的自身稳定性和承载能力，设计对小煤柱进行注浆加固。浅孔注浆采用高水速凝材料，深孔注浆采用水泥浆液，浅孔深度2.0 m，深孔深度4.0 m，浅孔注浆压力0.5～1.5 MPa，深孔注浆压力1.5～2.5 MPa，先低压后高压，注浆孔均沿水平方向垂直煤壁布置，孔径42 mm。注浆孔布置详细情况如图3。

图3 小煤柱帮注浆钻孔布置示意图（mm）

21306 运输顺槽布置多个测点监测巷道的变形情况。正常沿空掘巷阶段，巷道围岩稳定后，两帮相对移近量及顶底板移近量基本保持在70 mm 以下，表面变形微小。结合21306 工作面回采期间监测数据，整理给出实体煤段测点A（距切眼40 m）、沿空掘巷段测点B（距切眼150 m）巷道表面变形量变化规律如图4。

图4 巷道移近量变化曲线

可以看出，两个测站处的巷道围岩变形主要集中在与工作面距离小于70 m 的采动影响阶段，至巷道服务末期，实体煤段两帮移近量124 mm，顶板移近量102 mm，小煤柱沿空掘巷段两帮移近量356 mm，顶底板移近量131 mm，围岩及煤柱稳定性良好，保证了工作面正常掘进和回采。

通过收集整理分析华阳二矿21306 工作面具有较复杂的地质条件，数值模拟确定了邻近采空区影响下煤层顶板内侧向支承压力峰值为21 MPa，应力峰值距煤壁14 m，确定最佳区段煤柱宽度为6 m。综合应用工程类比法、理论计算法设计锚网索联合支护参数，设计断层、陷落柱等地质异常区注浆加固方式和参数。通过围岩位移监测得到，表面变形量在合理可控范围内，巷道围岩及煤柱稳定性良好。

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