厚層軟巖頂板預(yù)裂充填沿空留巷圍巖變形機(jī)理研究

1、    厚層軟巖頂板預(yù)裂充填沿空留巷圍巖變形機(jī)理研究    劉郭斌摘 要：針對厚煤層軟巖頂板條件下沿空留巷較困難的難題，以斜溝礦23103工作面沿空留巷為研究對象，進(jìn)行厚煤層軟巖頂板沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)分析，得到了沿空巷道“斷頂卸壓+預(yù)裂充填巖體”圍巖協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)。結(jié)合工作面頂?shù)装逄卣?，提出了厚煤層軟巖頂板沿空留巷圍巖控制方案，該方案有效解決了23103工作面沿空留巷圍巖出現(xiàn)的大變形現(xiàn)象，保證礦井安全生產(chǎn)。關(guān)鍵詞：軟巖頂板;沿空巷道;預(yù)裂充填;圍巖控制1 引言當(dāng)前，沿空留巷技術(shù)因其采出率高，巷道掘進(jìn)量少，有效緩解了工作面采掘銜接緊張的生產(chǎn)狀況，得到廣泛應(yīng)用。

2、為此，諸多學(xué)者開展相關(guān)研究，唐芙蓉，馬占國等1在軟巖巷道變形機(jī)理的基礎(chǔ)上提出了軟巖大斷面交叉點(diǎn)雙控錨索（桿）控制技術(shù)和軟巖頂板巷道非對稱支護(hù)技術(shù)，為沿空留巷圍巖控制提供參考。本文以斜溝礦23103工作面沿空留巷為研究對象，研究分析了厚煤層軟巖頂板沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)并提出了相應(yīng)的圍巖控制方案，現(xiàn)場實(shí)踐有效解決了23103工作面沿空留巷出現(xiàn)的變形現(xiàn)狀。2 工程地質(zhì)概況斜溝礦位于山西省興縣北50km處，礦區(qū)南北長約2km，東西寬約3-4km，礦井面積約88.6km2礦井設(shè)計生產(chǎn)能力15.0mt/a。主要開采煤層8#、13#煤層，煤質(zhì)以肥煤、焦煤為主。該礦正在開發(fā)南五8#煤層盤區(qū)，盤區(qū)走向長320035

3、60m，傾向長1350m，其首采面為23103工作面，5.40-6.60m，平均厚度5.98m，屬于厚煤層。該工作面煤層埋藏深度為435500m，煤層直接頂為泥灰?guī)r，厚度為1.752.70m，平均2.32m;老頂為砂巖，厚度為3.408.16m，平均6.67m;直接底為粉砂質(zhì)泥巖，厚度為0.71.6m，平均0.97m;老底為粉砂巖，厚度為2.885.45m，平均3.6m。23103工作面為軟巖頂板，在煤層開采過程中沿空留巷受到持續(xù)的采動影響，導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生劇烈變形，頂板巖層破碎下沉嚴(yán)重，時常發(fā)生片幫和底鼓現(xiàn)象，影響礦井的安全生產(chǎn)。3 厚煤層軟巖頂板沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)分析3.1 厚煤層軟巖頂板賦存條

4、件厚煤層軟巖頂板沿空留巷上不存在厚且堅(jiān)硬的關(guān)鍵巖層，因此，在煤層開采過程中將會受到持續(xù)的采動影響，造成劇烈的破斷和旋轉(zhuǎn)下沉，沿空留巷圍巖將會發(fā)生急劇的“小結(jié)構(gòu)”應(yīng)力波動，從而導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生劇烈變形，對巷道的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。沿空留巷采空側(cè)頂板關(guān)鍵塊體破斷后將會持續(xù)旋轉(zhuǎn)下沉，旋轉(zhuǎn)下沉?xí)r間越長，對巷道的增壓擾動時間也越久，在沿空留巷頂板采空側(cè)實(shí)施預(yù)裂斷頂，切斷采空區(qū)頂板與巷道頂板應(yīng)力的傳遞，加速采空區(qū)側(cè)塊體的破斷下沉，大大減少沿空留巷頂板的應(yīng)力傳遞強(qiáng)度和受擾動影響的周期。同時，工作面上覆軟巖頂板將會在自身重力及開采擾動的作用下沿預(yù)制頂板裂縫破碎垮落，由于垮落巖體具有碎脹特性，巷旁采空區(qū)側(cè)將形成充填

5、的矸石墻并與上覆穩(wěn)定巖層接觸，垮落巖體經(jīng)過壓實(shí)與軟巖頂板、煤壁及上覆穩(wěn)定巖層共同構(gòu)成沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)，從而形成沿空巷道“斷頂卸壓+預(yù)裂充填巖體”圍巖協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)，如圖1所示。因此，研究厚煤層軟巖頂板預(yù)裂充填沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)對巷道系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要意義。3.2 預(yù)裂充填垮落巖體充填高度巖層斷裂破碎后類似于散體，雜亂堆積后體積將會將會膨脹，堆積的高度要大于軟巖頂板原來的厚度。由于巖層都具有一定的碎脹系數(shù)，在其自重和上覆巖層的載荷作用將會被壓實(shí)，碎脹系數(shù)也會隨之減小，巖石的殘余碎脹系數(shù)為kp，直接頂巖層垮落的厚度為h，垮落壓實(shí)后堆積的厚度為kph。破碎巖石與老頂留下的空隙高度為為：式中：m為煤層采

6、高，kp為巖石的殘余碎脹系數(shù)。當(dāng)m-h（kp-1）=0，即m=h（kp-1），此時冒落的直接頂將會充滿采空區(qū)且與上覆穩(wěn)定巖層接觸。因此，充滿采空區(qū)所需軟巖基本頂?shù)淖钚『穸葹椋喝粢阎泿r基本頂殘余碎脹系數(shù)kp和煤層采高，即可求得充滿采空區(qū)所需軟巖基本頂?shù)淖钚『穸取? 沿空留巷圍巖控制方案斜溝礦結(jié)合23103工作面圍巖特點(diǎn)，采用如下沿空留巷圍巖控制方案：4.1 恒阻錨索加強(qiáng)支護(hù)23103運(yùn)輸巷采用3排恒阻錨索對沿空留巷進(jìn)行超前支護(hù)，恒阻錨索長8300mm，直徑為21.6mm，孔深8m，鉆孔孔徑32mm。第1列恒阻錨索距離工作面測巷幫650mm，排距為1000mm，第2列和第3列恒阻錨索布置在原有錨

7、索中間隔空位置，排距分別為2000mm和4000mm。4.2 擋桿支護(hù)當(dāng)工作面推過后，在工作面后方及時按照“一梁三柱”的方式布置單體支柱，工作面后050m范圍內(nèi)，單體支柱排距500mm;工作面后50200m范圍內(nèi)，單體支柱排距1000mm。在采空區(qū)側(cè)每2架單體支柱之間布置u型鋼棚并鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)長1500mm，寬1100mm，直徑為6.5mm。在鋼筋網(wǎng)與采空區(qū)之間鋪設(shè)高度為3.4m的風(fēng)筒布進(jìn)行封閉，避免發(fā)生漏風(fēng)現(xiàn)象。4.3 噴漿待工作面推過200m，垮落巖石與頂板趨于穩(wěn)定狀態(tài)，對采空區(qū)垮落不充分的位置進(jìn)行填充，并且重新維護(hù)巷道達(dá)到使用要求后進(jìn)行噴漿處理。5 圍巖控制方案實(shí)施效果分析2310

8、3工作面留巷初期出現(xiàn)擋桿墻u形鋼占巷現(xiàn)象，經(jīng)過分析，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是u形鋼不符合擋矸墻要求，u形鋼底部沒有充分固定在底板，矸石的持續(xù)擠壓使u形鋼發(fā)生偏移。通過及時改進(jìn)擋桿墻u形鋼的支護(hù)施工工藝，在布置u形鋼時提前挖柱坑，能夠?qū)形鋼架設(shè)在實(shí)底且充分固定。23103軌道巷留巷期間，所需支護(hù)材料量大，運(yùn)輸困難，影響了工作面的正常生產(chǎn)，施工過程中通過引進(jìn)風(fēng)動單軌吊設(shè)備，及時有效解決了支護(hù)材料的運(yùn)輸問題。支護(hù)施工過程中，礦壓監(jiān)測系統(tǒng)還不完善，對沿空留巷礦壓的監(jiān)測產(chǎn)生了一定的影響，目前礦壓監(jiān)測設(shè)備正在按照需要進(jìn)行安裝，對礦壓數(shù)據(jù)的及時分析將會為沿空留巷的施工及穩(wěn)定性奠定基礎(chǔ)。在23103工作面推進(jìn)過

9、程中，100m范圍內(nèi)巷道未出現(xiàn)明顯變形。當(dāng)工作面推進(jìn)120140m時，由于工作面發(fā)生來壓，巷道出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，底鼓量290mm;當(dāng)工作面推進(jìn)至140190m時，該段巷道頂板輕微下沉，巷道高度變形量100400mm，工作面后巷高為2.32.7m（原巷高3.0m）。由巷道變形量及現(xiàn)場觀測可知，當(dāng)工作面推進(jìn)至100m時，沿空留巷超前支護(hù)距離內(nèi)出現(xiàn)輕微變形;當(dāng)工作面推進(jìn)至120m時，工作面開始出現(xiàn)周期來壓，工作面后20m范圍內(nèi)巷道為應(yīng)力集中區(qū)，頂板板出現(xiàn)下沉，下沉量為2030mm，工作面后2050m范圍內(nèi)內(nèi)巷道頂板下沉量較小，擋桿墻u型鋼底端出現(xiàn)輕微滑移，工作面后50m往后巷道頂板及擋桿墻u型鋼均趨于穩(wěn)定。6 結(jié)論以斜溝礦23103工作面沿空留巷為研究對象，研究制定軟巖頂板沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)及圍巖控制方案。煤層開采后采空區(qū)垮落巖體經(jīng)過壓實(shí)與軟巖頂板、煤壁及上覆穩(wěn)定巖層共同構(gòu)成沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)，將會形成沿空巷道“斷頂卸壓+預(yù)裂充填巖體”圍巖協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)。有效解決了23103工作面沿空留巷出現(xiàn)的大變形現(xiàn)象。但在施工過程中出現(xiàn)了擋桿墻u形鋼占巷、支護(hù)材料運(yùn)輸困難等問題，需要在進(jìn)一步優(yōu)化施工工藝。參考文獻(xiàn)：1唐芙蓉，馬占國，楊黨委，等.厚層軟巖斷頂充填沿空留巷關(guān)鍵參數(shù)研究j.采礦與安全工程學(xué)報，2019（6）：1128-1136.中國化工貿(mào)易·