4#煤层蹬空区掘进巷道围岩控制技术研究与应用

2022-06-21李东阳

山东煤炭科技 2022年5期

李东阳

（山西岚县昌恒煤焦有限公司，山西岚县 033500）

1 工程概况

昌恒煤矿主采4#和9#煤层，9#煤层上距4#煤层底58.60～78.56 m，平均为67.70 m。矿井二采区位于矿井南部（F1 断层以南），采区东部、南部和西部以本矿井田边界为界，北部以F1 断层保护煤柱线为界。4202 工作面位于9204 工作面上方，9204 工作面于2010 年11 月已回采完毕。4202 工作面计划先施工两条探煤巷，待2 条探煤巷、开切眼贯通形成4202 工作面后，1#探煤巷作为4202 工作面风巷使用，2#探煤巷作为4202 工作面机巷使用。根据4#煤层掘进巷道是否经过9#煤采空区上方，将其分为实体煤段部分和蹬空区段部分。其中1#探煤巷蹬空区段部分长度为920 m，2#探煤巷蹬空区段部分长度为610 m。具体探煤巷蹬空区域位置如图1。为保障探煤巷蹬空段围岩的稳定，需进行蹬空区围岩控制技术研究。

图1 4202 工作面探煤巷蹬空区位置示意图

2 巷道赋存特征及支护原则

为掌握4202 工作面围岩的赋存情况，分别采用数值模拟和现场观测的方式进行围岩特征分析，具体分析过程如下：

（1）数值模拟。根据矿井地质条件，以二采区4#煤层和9#煤层工作面工程地质条件为研究背景，采用3DEC 数值模拟软件对9#煤层开采后的“三带”分布对4#煤层的影响进行分析，研究9#煤层开采后的覆岩载荷分布规律。数值模拟模型如图2。

图2 三维数值模型

数值模拟方案如下：（a）沿9#煤层工作面推进方向开挖100 m，开挖高度5 m，模拟计算5000 步。（b）模拟过程中在9#煤层工作面推进方向距边界150 m 处布置测点，监测巷道在受采动影响过程中的应力场以及位移场变化情况。具体模拟结果如图3。

图3 垂直位移及垂直应力云图

分析图3 可知，9#煤层开采后，上覆岩层发生下沉，最大下沉量为10 m，位于模型中部位置。4#煤层位置下沉量约为8 m，且处于9#煤层开采后的裂隙带中上部。9#煤层开采后，上覆岩层的应力分布发生变化，最大应力为30.72 MPa，位于模型中部位置。4#煤层位置处受到约5 MPa 的应力影响，受采动影响较大。

通过上述分析，发现4#煤层位置受到采动影响有一定破坏，但整体完整性相对较好，而受9#煤层开采的影响，各岩层具有不同程度的破坏，4#煤层应力状态得到改善，尤其水平应力得到显著减小，岩层仍然保持层状结构，具有一定的承载能力[1-3]。

（2）现场观测。为掌握4#煤层顶板岩层特征，现采用钻孔窥视仪进行煤层顶板岩层的窥视分析，在工作面蹬空段进行钻孔窥视，选取BK3 号、BK4号和BK5 号钻孔观测窥视结果进行具体分析。

分析图4 可知，9#煤层的开采使4#煤层处于裂隙带中上部，4#煤层及围岩遭到一定程度破坏，裂隙交错发育，但煤岩层状结构依然存在，锚网索支护能满足支护要求，但在掘进中存在以下几个难点：① 4#煤受9#煤层开采破坏影响，位于9#煤层采动裂隙发育带内，掘进巷道围岩的稳定性相对较差，尤其顶板较为显著，需形成稳定的围岩组合结构。② 4#煤层1#探煤巷及2#探煤巷穿越9#煤采空区上方及留设区段煤柱，造成巷道走向具有一定的变化起伏，尤其在经过区段煤柱上方较为明显，落差式走向可能对巷道支护带来困难。③ 巷道掘进必然引起煤层二次扰动，底板可能出现不同程度的底鼓，为巷道变形控制的难点。综合上述数值模拟和钻孔窥视可知，9#煤开采对4#煤层造成一定程度的破坏，4#煤层处于9#煤层开采的覆岩裂隙带中上部，对巷道掘进具有一定困难，但通过锚网支护基本可实现对围岩变形控制[4-6]。同时，采动岩层破坏使得应力得到较好释放，尤其水平应力对其影响大大降低，巷道支护的关键应该是加强顶板支护。

图4 钻孔窥视结果图

3 蹬空区支护方案及效果

3.1 支护方案

4202 工作面2 条掘进巷道（1#探煤巷、2#探煤巷）均为梯形断面，顶板倾角均在10°左右（逆时针）。其中，1#探煤巷（4202 工作面风巷）的荒宽为4200 mm、右帮荒高为3400 mm，其右帮布置一半圆形塑料水沟。2#探煤巷（4202 工作面机巷）的荒宽为5000 mm、右帮荒高为3700 mm，其左帮布置一半圆形塑料水沟。

根据巷道围岩赋存情况的分析结果，提出巷道支护思路为：重点提高顶板支护强度，使顶板岩层形成稳定结构，加强肩部等应力集中区域支护参数，适当提高帮部支护强度，具体支护参数如下：

（1）顶板支护

① 锚杆规格参数。锚杆采用螺纹钢锚杆，规格为Φ20 mm×2200 mm。1#探煤巷和2#探煤巷锚杆间排距分别为800 mm×900 mm 和800 mm×900 mm。靠近两帮角处锚杆向外侧倾斜15°，其余锚杆垂直顶板布置。

② 锚索规格参数。锚索采用1×7 股钢绞线，规格为Φ21.8 mm×7300 mm。

其中1#探煤巷锚索采用“一梁两索”与“一梁三索”交错布置的布索方式，间排距为1600 mm×1800 mm。钻孔深度7000 mm。施工期间锚索滞后不超过2 排。2#探煤巷锚索采用“一梁三索”与“一梁四索”交错布置的布索方式。“一梁三索”的锚索间距为1600 mm，“一梁四索”的锚索间距为中部1600 mm、两侧1200 mm，排距为1800 mm。钻孔深度7000 mm。施工期间锚索滞后不超过2 排。锚索全部垂直顶板布置。

③ 钢带规格参数。钢带采用型号为WX280/3.0的W 型钢带。1#探煤巷锚杆钢带长4100 mm，锚索钢带长分别为3800 mm（三索）及2200 mm（两索）。2#探煤巷锚杆钢带长4900 mm，锚索钢带长分别为4600 mm（四索）及3800 mm（三索）。

巷道表面采用金属网护表。

（2）两帮支护

1#及2#探煤巷两帮支护主要参数中的锚杆规格、锚杆角度、锚固参数、锚杆托盘规格以及金属网规格，均与顶板支护时一样。其与顶板支护的差别主要体现在锚杆布置及W 钢带的长度选取上。

锚杆布置：间排距900 mm×900 mm，左帮和右帮每排分别布置3 根和4 根锚杆，锚杆间采用钢带连接；W 型钢带：左帮钢带长度为2100 mm，右帮钢带长度为3000 m。

具体1#探煤巷和2#探煤巷的支护断面如图5。