开拓煤业采空区下回采巷道围岩控制机理及技术研究

李茹俊

(潞安化工集团 蒲县开拓煤业有限公司，山西 蒲县 041200)

1 工程概况

开拓煤业3119工作面井下位于31采区(井田的北部边界)，东面为凤凰台煤业工业场地保安煤柱，西面为矿井主要大巷，南面为布置的3煤未开采区，北面为与凤凰台煤业的井田保安煤柱。工作面开采3号煤层，煤层平均厚度为2.7 m，平均倾角为4°，煤层中部含有1层夹矸，夹矸层厚度为0.3 m，工作面上方为2号煤层采空区，2号煤层平均厚度为2.12 m，3号煤层与2号煤层间岩层为砂质泥岩，岩层质软，节理裂隙发育，平均间距为0.5 m，2号煤层顶板岩层为砂质泥岩和粉砂岩，目前矿井2号煤层已回采完毕(3119工作面上方2号煤层采空区封闭时间为2010年6月)，3119工作面回采属于近距离煤层采空区下开采，为保障工作面回采巷道围岩的稳定，特进行回采巷道围岩变形机理及控制技术研究。

2 采空区下巷道控制机理

2.1 控制机理

通过对采空区下工作面巷道围岩的变形特征分析，由于2号和3号煤层间距极薄，仅为0.5 m，巷道顶板0.5 m上是采空区，所以巷道变形严重。根据工作面开采扰动形式、顶板结构特征及超前支承压力分布形态可知，近距离采空区下煤层在上覆老空区结构不同类型下，顶板结构会发生不同形式的演变，进而致使顶板表现出不同的承载特征，其对巷道围岩会造成不同程度的影响。巷道顶板结构主要可划分为非充分垮落残留空区下巷道顶板结构和充分垮落残留空区下巷道顶板结构[1-2]。

根据3119工作面的具体条件可知，2号煤层回采后顶板充分垮落，故现主要进行充分垮落残留空区下巷道顶板结构分析。2号煤层回采完毕后，经过一段时间的变形，覆岩逐渐充分垮落并达到稳定状态，此时巷道顶板呈现出“残煤层-散体直接顶-块状基本顶”的组合形态。

基于上述顶板结构特征的分析可知，若要保障巷道顶板不破坏，需保障工作面煤层在垮落矸石冲击作用下不会发生破断，同时需保障已经垮落的矸石、块体不会发生剪切滑移失稳现象，避免残煤层结构的破坏。基于上述分析可知，减小空区范围是减缓垮落矸石冲击作用的关键。据此可知，若要实现巷道围岩的稳定，最为有效的措施是对顶板空区进行处理，同时还需要确定合理的支护体形式以充分保障回采巷道顶板结构的稳定[3-4]。

2.2 控制原则

基于上述近距离煤层采空区下回采巷道围岩的特征分析和3119工作面具体条件可知，回采巷道的围岩处于应力释放状态，顶板处于悬空状态，易在采动影响下出现失稳破断现象，故巷道的顶板和肩部围岩控制是关键。综合上述分析确定巷道采用锚网索+架棚+顶板充填的控制技术，具体该巷道围岩控制技术中各项支护措施控制原则如下：

2.2.1 棚式支护技术

采空区下的回采巷道顶板主要以垮落的矸石为主，且岩层的厚度及强度较低，且岩体的破碎度较高，此时采用锚网索支护会限制锚杆(索)的有效锚固长度，进而导致岩体与支护体间相互分离，最终难以达到支护体与围岩相互形成的承载结构。当采空区下顶板采用棚式支护时，构件间的弹性和可缩性变形能够有效调节各个构件间的承载荷载，棚式支护中的支架变形和可缩性过程能够保持支护体对围岩体较高的支护阻力和承载能力[5]。基于3119工作面的特征，采用工字钢棚支护，支护作业时配合金属网和铁背板一起使用。

2.2.2 顶板充填支护

根据相关破碎带注浆补强支护的理论研究可知，顶板空区注浆充填控制作用机理主要包括两个方面，分别如下：

1) 减小顶板残留空顶区范围，以充分阻止空区顶板进一步破碎。顶板空区充填后，注浆后的顶板可阻止顶板空区的进一步发育，充分减小矸石的垮落空间，以减小顶板在采动影响顶板破断后的冲击荷载，具体作用方式如图1所示。

图1 空区巷道顶板充填示意

2) 注浆固结破碎顶板，改善顶板承载特性：通过浆液使得巷道破碎顶板与空区顶板有效固结为一个整体，进而增强顶板的有效承载厚度，充分提高顶板的残余强度及内摩擦角，进而使得顶板具有较高的支撑能力[6]。

2.2.3 锚网支护

由于2号煤层采空区与3号煤层间的平均间距仅为0.5 m，2号煤层的平均厚度为2.1 m，2号煤层顶板为细粒砂岩和中粒砂岩，2号煤层顶板岩层破断后的块体较大，岩层的强度相对较高，且破碎顶板在注浆充填后，顶板破碎围岩间可有效固结成一个整体，此时采用锚网支护主要为控制围岩变形的不协调部位，同时可限制巷道围岩发生损伤变形，通过锚网支护尽量实现围岩表面及内部荷载的支护一体化和均布化，通过顶板充填体与锚网索支护和架棚支护间相互耦合，能够在较大幅度上提升顶板的自身承载特性，在较大幅度上提升支架的工作阻力，使得巷道围岩通过锚网索支护产生协调变形，达到增强巷道围岩稳定性的目的。

3 采空区下围岩控制技术

3.1 围岩控制技术

根据3119工作面回采巷道的具体地质条件，现以轨道回风巷为工程背景(巷道断面为宽×高=4.0 m×2.6 m)，结合上述采空区下回采巷道围岩控制机理及控制原则，确定巷道采用工字钢棚+顶板充填+锚网的支护方案，具体各项支护措施如下：

1) 工字钢棚支护：巷道顶梁和支腿均采用11号矿用工字钢，顶梁长度和支腿长度分别为3.0 m和2.8 m，棚距为0.8 m，每架棚顶刹杆为6根，规格尺寸为1 000 mm×100 mm×40 mm，间距0.5 m。每架棚侧刹杆为2根，两侧各1根。棚间采用拉杆进行连接，顶梁之间和支腿分别采用2个拉杆和1个拉杆，拉杆采用D16 mm圆钢制作，护顶材料采用10号铁丝编制的金属网，网片规格3 200 mm×1 200 mm，网孔规格50 mm×50 mm。

2) 顶板充填支护：顶板充填钻孔沿着巷道中心线布置，其中主充填钻孔断面内仅布置1个钻孔，孔间距为4 m；辅助充填钻孔分别在距主充填钻孔两侧2 m的位置处布置，辅助钻孔与主充填钻孔错距2 m布置，钻孔间距均为4 m，其中主充填钻孔长度为3 m，终孔位于采空区上方，辅助钻孔长度为1.5 m，主充填钻孔和辅助充填钻孔充填材料均采用高砂高泡水泥基材料，注浆作业时先进行辅助充填钻孔的施工，待辅助充填钻孔注浆完毕凝固后，再进行主钻孔的充填注浆作业，以此确保充填效果，具体顶板充填方式如图2所示。

图2 顶板充填钻孔布置方式示意

3) 锚网支护：锚杆为20号-M22-2 000 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，顶板锚杆间排距为900 mm×1 000 mm；帮部锚杆间排距为1 000 mm×800 mm，锚杆预紧力为250 N·m；锚杆间采用钢筋梯子梁进行连接，规格为：长×宽=3 000 mm×80 mm。

具体3119工作面轨道回风巷支护断面如图3所示。

图3 巷道支护断面(mm)

3.2 效果分析

1) 顶板充填效果分析：巷道支护方案实施后，采用YTJ20型岩层窥视仪进行注浆区域顶板岩层的窥视分析，并在未充填区域进行观测，以形成对比分析，具体顶板未充填时和充填后的观测钻孔内的岩层特征如图4所示。

图4 顶板充填前厚岩层窥视图

分析图4可知，顶板未实施充填时，顶板中明显存着空顶区域，且顶板岩层间整体处于破碎状态，岩体的完整性较差，而顶板充填方案实施后，在凝固后浆液的作用下空顶区域被有效充填，且破碎岩层被有效连接为一个整体，提升了顶板岩层的承载能力。

2) 巷道围岩变形量：3119工作面轨道回风巷掘进期间，通过监测分析得出，巷道围岩在掘出40 d后，围岩变形达到稳定状态，顶底板最大移近量为110 mm，两帮最大移近量为95 mm，据此可知围岩整体处于稳定状态。

4 结 语

根据3119工作面的地质条件，基于采空区下回采巷道特征，通过分析围岩控制机理及控制原则，确定巷道采用工字钢棚+顶板充填+锚网的支护方案，结合巷道具体特征进行各项支护参数设计，根据巷道掘进期间的观测结果可知，顶板空顶区域得到有效充填，掘巷期间围岩处于稳定状态。