采空區(qū)下方近距離巷道加固設(shè)計(jì)及應(yīng)用

解鵬濤

(同煤集團(tuán)晉華宮礦，山西 大同 037016)

1 問題的提出

晉華宮礦為年產(chǎn)量450萬t的多井口大型礦井，經(jīng)過6800萬年的侏羅系時(shí)期，晉華宮礦區(qū)共沉積了侏羅系中統(tǒng)大同組、石炭系上統(tǒng)太原組及二疊系下統(tǒng)山西組，可采和局部可采煤層23層，主要為7#、8#、11#、12#和15#層。大同煤盆形成后期受到了燕山運(yùn)動的改造［1］，致使侏羅系煤層合并、變薄及尖滅現(xiàn)象頻繁，煤層多而近，尤其是7#層和8#層，層間距最小5 m，最大18 m。8#層8705工作面采至850～920 m里程時(shí)，進(jìn)入了上覆7#層采空區(qū)的下方，8#層5705巷距7#層煤柱水平距離為40 m。

7#、8#層層間對照圖見圖1。

圖1 7#、8#層層間對照圖

在巨大的上覆煤柱壓力及本工作面超前支承壓力的雙重作用下，5705巷距工作面超前30 m范圍內(nèi)頂板響動劇烈，巷道底鼓嚴(yán)重，最大底鼓量達(dá)0.5 m左右，煤柱側(cè)炸幫1 m多深，護(hù)幫錨桿失效，頂板裂縫貫穿巷道全斷面，并出現(xiàn)不同程度的下沉，最大下沉量為0.3 m，嚴(yán)重影響了巷道的正常使用和煤礦的安全生產(chǎn)，為此，需要對5705巷進(jìn)行加固。

本文在分析5705巷原有支護(hù)的基礎(chǔ)上，提出“雙柱鋼梁”加固法，通過在頂?shù)装邃佋O(shè)工字鋼并用單體液壓支柱將其固定到頂?shù)装迳?，?shí)現(xiàn)頂?shù)装彘g的應(yīng)力傳遞，將頂板的自重及上覆應(yīng)力傳遞到底板，以控制其底鼓，通過底板底鼓的反力抵抗頂板巖體的下沉，使彼此的破壞力轉(zhuǎn)化為有效的支護(hù)力，取得了良好的效果。

2 工程概況

8#煤層平均埋深260 m，煤層厚度為1.2～1.58 m，平均厚度為1.4 m，煤層賦存穩(wěn)定，厚度變化較小，結(jié)構(gòu)簡單，北部較薄，總體為一單斜，走向近北東，傾向北西。巖層硬度系數(shù)約為6～8，與7#層層間距平均為12 m。根據(jù)8#層8705工作面地層綜合柱狀圖分析:8#層偽頂厚0.5 m，為淺灰色細(xì)砂巖，含有少量暗色礦物，云母碎片;直接頂厚3.6 m為灰白色鈣質(zhì)接觸式膠結(jié)，膠結(jié)較為堅(jiān)實(shí)，含有煤條，煤屑和FeS2球狀結(jié)核。底板為深灰色粉砂巖，性脆，水平層理，含有少量暗色礦物、植物化石及FeS2結(jié)核，局部夾有2層細(xì)砂巖薄層。

5705 巷斷面形式為矩形，寬3.5 m，高 2.5 m，沿走向1396 m，巷道坡度為0～5°，服務(wù)年限為2年。利用鄰近8#層盤區(qū)巷道礦壓觀測數(shù)據(jù)及支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，確定5705巷道采用錨桿、錨索進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，巷道施工時(shí)沿煤層底板挑頂掘進(jìn)。

巷道頂錨桿選用d16 mm×1700 mm左螺旋無縱肋鋼錨桿，間排距均為1000 mm，緊固錨桿螺母必須使用力矩扳手，擰緊力矩不小于100 N·m;錨索選用d15.24 mm×5000 mm鋼絞線，間距3000 mm，錨索錨固力不小于100 kN，錨索必須使用張拉千斤，拉張力控制在100 kN。巷道兩幫錨桿距頂板900 mm，與水平方向成30°角向上，其他參數(shù)同頂板，5705巷原支護(hù)方案見圖2。

圖2 5705巷原支護(hù)方案

3 5705巷加固方案設(shè)計(jì)

5705巷原支護(hù)方案采用錨桿、錨索進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，由于圍巖條件較好，壓力不大時(shí)能有效控制巷道圍巖的變形和破壞，但當(dāng)巷道距7#層采空區(qū)較近時(shí)，由于采動時(shí)7#層底板已經(jīng)遭受破壞，錨桿錨索的錨固段處于破碎的巖體中，尤其是錨索，不能將下部巖層很好的懸吊到上部穩(wěn)定的巖體中，在超前支承壓力及7#層煤柱的集中應(yīng)力作用下，支護(hù)體遭到了嚴(yán)重的破壞。為了更好地呈現(xiàn)巷道的破壞特征，在此采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件［2－4］再現(xiàn)加固前巷道的真實(shí)情況。

以巷道底板中心為原點(diǎn)，x軸負(fù)方向取100 m，正方向取50 m，y方向取單位長度，z軸正方向取5 m(7#層、8#層之間最小層間距)，煤柱部分為x=40～80 m部分，煤柱所在采空區(qū)寬200 m，按平均巖體容重2.5 kN/m3計(jì)算，煤柱部分施加的應(yīng)力為31.25 MPa，其他部分施加豎向應(yīng)力6.25 MPa，上部自由面，其余五面均采用滑動鉸支座的位移邊界。

數(shù)值模擬邊界條件見圖3。

圖3 數(shù)值模擬邊界條件圖

未加固時(shí)，巷道變形破壞見圖4。由圖4(a)可知，巷道頂板5 m巖層基本上全部破壞，左幫破壞程度較右?guī)痛?，頂板下?.313 m，底鼓0.497 m，兩幫收斂量達(dá)到0.989 m，巷道失去了其使用價(jià)值。需要對其進(jìn)行加固，修復(fù)。

圖4 加固前巷道變形破壞圖

經(jīng)上述分析可知，致使巷道變形破壞的主要原因是7#、8#層間距較近，巷道頂板巖層薄、壓力大，錨桿錨索無可錨固的穩(wěn)定層。因此，進(jìn)行巷道修復(fù)加固時(shí)，采用了強(qiáng)度較高的DW40－150/100X型柱塞懸浮式單體液壓支柱帶進(jìn)行加固，間排距1500 mm×1000 mm，相鄰兩排用連桿鏈接，增強(qiáng)整體性，同時(shí)，由于柱頭面積較小，很容易被壓入巖層而失去加固效果，故在頂?shù)装逵?根12#工字鋼將兩根單體液壓支護(hù)鏈接在一起，工字鋼長度3.5 m，稱這種加固形式為“雙柱鋼梁”加固法，見圖5。

圖5 5705巷“雙柱鋼梁”加固方案圖

采用FLAC3D對支護(hù)效果進(jìn)行模擬，見圖6。由圖6可知，加固后單體液壓支柱受力均勻，彎矩主要發(fā)生在工字鋼中，圍巖塑性區(qū)范圍大大減小，頂板0.5 m，底板0.8 m，兩幫的塑性區(qū)稍大，但與加固前相比塑性區(qū)范圍和大小都得到了很大的控制。圍巖頂板、底板、兩幫位移僅為 9.7 mm、46.2 mm 和 35.3 mm，圍巖位移也得到了很好控制。

加固后，回采期間，采用十字布點(diǎn)方法［5］對巷道表面位移進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果見圖7。從開始影響到回采完成，巷道頂板下沉量、底鼓量和兩幫移近量分別為28.0 mm、53.6 mm 和 55.0 mm，保證了巷道的安全使用。

4 結(jié)論

1)近距離煤層頂板在兩次采動的影響下發(fā)生嚴(yán)重的破壞，錨桿、錨索支護(hù)沒有可以用來錨固的穩(wěn)定巖層，不適宜采空區(qū)下方近距離巷道的支護(hù)。

圖6 加固后巷道變形破壞圖

圖7 加固后回采期間巷道圍巖位移與工作面距離關(guān)系

2)“雙柱鋼梁”加固法實(shí)現(xiàn)了頂?shù)装彘g的應(yīng)力傳遞，將頂板的自重及上覆應(yīng)力傳遞到底板，以控制其底鼓，通過底板底鼓的反力抵抗頂板巖體的下沉，使彼此的破壞力轉(zhuǎn)化為有效的支護(hù)力，取得了良好的效果。

3)現(xiàn)場實(shí)測表明，“雙柱鋼梁”法加固5705巷后，頂板下沉量、底鼓量和兩幫移近量分別為28.0 mm、53.6 mm 和55.0 mm，很好地控制了巷道的變形破壞，保證了巷道的安全使用。

［1］王旭宏.大同礦區(qū)_三硬_煤層沖擊地壓發(fā)生機(jī)理研究［D］.太原:太原理工大學(xué)博士學(xué)位論文，2010.

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