王 鑫

（陽(yáng)煤集團(tuán)壽陽(yáng)開(kāi)元礦業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉中 045400）

開(kāi)元礦井田位于沁水煤田西北端，井田內(nèi)陷落柱發(fā)育，根據(jù)歷次地質(zhì)勘探（包括物探）和歷年采掘工程揭露情況，井田內(nèi)共發(fā)育陷落柱258 個(gè)，陷落柱密度9.2 個(gè)/km2，陷落柱規(guī)模大小不一，一般為圓形、橢圓形。

隨著煤礦開(kāi)采逐步向深部發(fā)展，煤層賦存越來(lái)越復(fù)雜，地質(zhì)構(gòu)造的存在嚴(yán)重影響著礦井的安全高效生產(chǎn)，尤其是穿過(guò)斷層、陷落柱及其影響帶內(nèi)的巷道支護(hù)是一個(gè)需要解決的重要問(wèn)題[1]。因此，要加強(qiáng)對(duì)陷落柱分布規(guī)律的研究及分區(qū)的預(yù)測(cè)，為礦井安全生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 工程概況

開(kāi)元礦業(yè)有限責(zé)任公司的3903 工作面開(kāi)采沁水煤田的3 號(hào)煤，3903 工作面采用雙“U”型布置方式，工作面面長(zhǎng)230 m，走向長(zhǎng)1 490 m。煤層埋深375～392 m，平均埋深385 m，煤層厚度為2.1～2.5 m。3903 繞道斷面為矩形，寬×高為5 m×2.8 m。切巷前方300 m 處煤體有一個(gè)陷落柱，大小達(dá)到65×80 m2，且陷落柱周圍煤層變薄，不足1.5 m，影響范圍達(dá)到16 000 m2，為避免對(duì)工作面回采造成影響，計(jì)劃做繞道避開(kāi)陷落柱影響范圍。繞道位于切巷前方165 m 處，由于3903工作面瓦斯治理措施采用的是回風(fēng)側(cè)接瓦斯管進(jìn)行抽采，需要在抽采措施巷和回風(fēng)巷之間每隔50 m 施工一條聯(lián)絡(luò)巷，但繞巷處施工聯(lián)絡(luò)橫貫間距較大，且位于構(gòu)造區(qū)域，需要開(kāi)掘大量的巖巷，施工工程量大、工期長(zhǎng)，而且會(huì)產(chǎn)生大量矸石，影響工作面的銜接。為滿足工作面后方通風(fēng)，需要對(duì)繞道進(jìn)行高水材料巷旁充填，采用高水材料巷旁充填沿空留巷技術(shù)可將工作面由兩進(jìn)兩回“雙U”布置方式調(diào)整為兩進(jìn)一回“Y”布置方式。3903 工作面與陷落柱關(guān)系如圖1所示。由于3903 繞巷需進(jìn)行沿空留巷，回采期間需受工作面超前支承壓力及大型陷落柱構(gòu)造應(yīng)力的影響，巷道布置必須避開(kāi)陷落柱及回采側(cè)向支承壓力應(yīng)力集中區(qū)，使之處于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)[2]。3 號(hào)煤層頂?shù)装鍘r性及綜合柱狀如圖2所示。

圖1 3903 工作面與陷落柱關(guān)系

圖2 3 號(hào)煤頂?shù)装逯鶢顖D

圖2 3903 繞巷支護(hù)斷面

2 構(gòu)造應(yīng)力對(duì)巷道布置的影響

采掘活動(dòng)會(huì)使原巖應(yīng)力的平衡狀態(tài)受到破壞，同樣，在穩(wěn)定煤層中出現(xiàn)斷層、陷落柱等構(gòu)造時(shí)，煤層頂板出現(xiàn)斷裂，導(dǎo)致應(yīng)力傳遞出現(xiàn)阻隔，上覆巖層的部分重量會(huì)轉(zhuǎn)移到周邊的煤壁，使相鄰煤壁受力增加并出現(xiàn)內(nèi)移現(xiàn)象，即應(yīng)力集中及應(yīng)力重新分布。有學(xué)者研究表明，隨著開(kāi)采深度的增加，巖層壓力增長(zhǎng)迅速，構(gòu)造應(yīng)力也隨之顯著增長(zhǎng)，構(gòu)造應(yīng)力的方向性變得明顯，并且兩個(gè)水平構(gòu)造應(yīng)力的差值變化越來(lái)越大，導(dǎo)致應(yīng)力場(chǎng)帶有明顯的方向性，給礦井巷道布置及煤炭開(kāi)采造成了嚴(yán)重困難，且還存在很大的安全隱患。

在大型構(gòu)造區(qū)附近，必須考慮構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的影響，尤其是水平構(gòu)造應(yīng)力的影響，研究顯示，最大水平應(yīng)力通常為垂直應(yīng)力的0.5～5.5 倍，如果不考慮構(gòu)造應(yīng)力對(duì)巷道的作用力，往往會(huì)造成巷道的失穩(wěn)破壞和工作面的壓架等，使礦井無(wú)法進(jìn)行正常生產(chǎn)[3]。因此，必須對(duì)構(gòu)造應(yīng)力的影響、進(jìn)行詳細(xì)分析，尋求合理的巷道布置和支護(hù)方式，保證巷道掘進(jìn)和工作面開(kāi)采期間的穩(wěn)定性。

3 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中巷道支護(hù)技術(shù)研究

從煤層柱狀可以看出，3 號(hào)煤層頂板是比較堅(jiān)硬的砂巖，底板以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，屬軟弱巖層，而且泥巖存在遇水容易膨脹的問(wèn)題，位于陷落柱應(yīng)力影響范圍內(nèi)，受回采動(dòng)壓影響，極易導(dǎo)致巷道底板底鼓現(xiàn)象嚴(yán)重，底鼓變形較大會(huì)使得巷道斷面迅速縮小，對(duì)工作面回采沿空留巷期間通風(fēng)斷面影響很大[4]。因此如何有效控制3903 繞巷圍巖變形是保證回采的必要條件，掘進(jìn)施工期間必須合理確定支護(hù)設(shè)計(jì)，減低圍巖的收斂速度及收斂量，同時(shí)確保后期在構(gòu)造應(yīng)力及回采側(cè)向支撐壓力的影響下，錨索、錨桿聯(lián)合支護(hù)能有效控制巷道圍巖變形量。

根據(jù)前文分析，構(gòu)造應(yīng)力對(duì)巷道的主要影響是水平應(yīng)力較大，巷道圍巖的力學(xué)性質(zhì)容易改變，所以構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中巷道錨桿、 錨索聯(lián)合支護(hù)應(yīng)采用高預(yù)緊力支護(hù)系統(tǒng)，變被動(dòng)支護(hù)為主動(dòng)支護(hù)。由于錨索的支護(hù)優(yōu)勢(shì)在于其高抗拉強(qiáng)度，但其抗剪強(qiáng)度卻很低，僅是其抗拉強(qiáng)度的1/5～l/10。由于錨索與孔壁之間的間隙很小，頂板巖層稍有移動(dòng)，錨索就易受到剪切破壞，所以頂板支護(hù)必須錨桿配合錨索聯(lián)合支護(hù)，頂錨桿桿體選用抗剪切能力強(qiáng)、剛度大的，幫錨桿桿體選用抗拉伸能力強(qiáng)、延展率大的材料[5]。

3903 回風(fēng)順槽設(shè)計(jì)幫錨桿的預(yù)應(yīng)力矩為300 N·m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)及礦壓監(jiān)測(cè)分析，對(duì)于圍巖松軟段，加之后期風(fēng)化、洗巷淋水等原因?qū)е聨r石破碎后，錨桿托盤無(wú)法緊貼巖面，造成錨固預(yù)應(yīng)力降低，嚴(yán)重的會(huì)使錨桿徹底失效。

相比錨桿，錨索的強(qiáng)度、預(yù)緊力較大，而且長(zhǎng)度可以是普通幫錨桿的兩倍，對(duì)于特殊地質(zhì)構(gòu)造所形成的松動(dòng)圈的加固平衡拱承載能力也更大，巷道兩幫的煤體可以承載更大的應(yīng)力，也可以很好地抵御圍巖變形。

針對(duì)以上情況，結(jié)合3 號(hào)煤頂?shù)装鍘r性，3903繞巷支護(hù)設(shè)計(jì)為：采用錨桿、錨索、金屬網(wǎng)、W 鋼帶聯(lián)合支護(hù)。頂板支護(hù)方式： 使用長(zhǎng)4.8 m 的五眼W 鋼帶，鋼帶上錨桿、錨索采取“五花”布置方式，排距0.8 m；兩幫支護(hù)方式：每幫布置3 根，間距為0.9 m，北幫（陷落柱幫）布置一至兩根幫錨索，形成“三花”布置方式。錨桿錨固力不小于120 kN，錨索預(yù)緊力不小于230 kN。3903 回風(fēng)繞巷支護(hù)設(shè)計(jì)如圖3所示。

通過(guò)研究煤層頂?shù)装鍘r性，使用高預(yù)緊力、高強(qiáng)度錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)，采用4.2 m 幫錨索加強(qiáng)煤幫支護(hù)強(qiáng)度，使得幫錨索通過(guò)圍巖松動(dòng)圈深入煤巖層深部，及時(shí)變被動(dòng)支護(hù)為主動(dòng)支護(hù)[6]，給圍巖一定的預(yù)壓應(yīng)力，以約束巷道圍巖特別是煤幫的塑性變形，并使頂板的垂直應(yīng)力轉(zhuǎn)移到巷道兩側(cè)煤體縱深，最終提高圍巖的抗變形能力。

4 工作面繞采期間礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

簡(jiǎn)單分析3903 工作面繞采期間的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，工作面推進(jìn)至3903 繞巷處及其前后范圍內(nèi)，工作面及巷道交叉處開(kāi)始發(fā)生圍巖應(yīng)力集中現(xiàn)象，存在局部頂板破碎及底鼓，工作面推進(jìn)至繞巷后，在工作面后方20 m 左右，繞巷頂板下沉較為強(qiáng)烈，有明顯動(dòng)壓現(xiàn)象。隨著工作面的推進(jìn)，距工作面后方50 m 左右的范圍內(nèi)，頂板下沉活動(dòng)較前一階段緩和，但頂?shù)装逡平砍掷m(xù)增加，50 m以后，繞巷上覆巖層活動(dòng)趨于穩(wěn)定。結(jié)合3 號(hào)煤工作面來(lái)壓步距一般為15～25 m 進(jìn)行分析，隨著工作面的縮短，工作面來(lái)壓步距增大至25 m 以上，受采場(chǎng)關(guān)鍵層巖塊旋轉(zhuǎn)下沉影響，巷道圍巖變形較大，頂板下沉量明顯，但由于巷道頂幫支護(hù)合理，頂板和煤幫處于應(yīng)力平衡狀態(tài)，滿足了安全生產(chǎn)需要。

5 結(jié)論

1）針對(duì)3903 工作面存在大型陷落柱，分析了構(gòu)造應(yīng)力對(duì)巷道布置及支護(hù)方式的影響，礦井深部構(gòu)造應(yīng)力主要是水平應(yīng)力影響較大。

2）通過(guò)分析構(gòu)造應(yīng)力對(duì)巷道圍巖的影響，考慮到巷道圍巖變形量要求，采用了強(qiáng)度高、延展率好的錨桿和錨索進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)變被動(dòng)支護(hù)為主動(dòng)支護(hù)。

3）通過(guò)對(duì)工作面繞采期間的礦壓規(guī)律進(jìn)行觀測(cè)，工作面推進(jìn)50 m 以后，3903 回風(fēng)繞巷上覆巖層活動(dòng)趨于穩(wěn)定，合理的支護(hù)方式可以確保巷道頂板和煤幫變形可控。