復(fù)采綜放工作面下覆開拓大巷安全控制技術(shù)＊

白向東

(山西晉城煤炭規(guī)劃設(shè)計院，山西省晉城市，048000)

在煤炭復(fù)采過程中，由于原有小煤礦的開采系統(tǒng)復(fù)雜和無序，出現(xiàn)了很多影響煤炭回收的難題，比如巷道位置關(guān)系復(fù)雜、通風(fēng)系統(tǒng)混亂和煤層煤柱留設(shè)不統(tǒng)一等。本文針對回收煤柱的復(fù)采工作面下覆開拓大巷對綜放面造成的安全隱患，研究了相應(yīng)的控制技術(shù)，并在ZF302綜放面開采時進行了大巷加固實踐，取得了良好的效果。

1 現(xiàn)場概況和存在的問題

山西蘭花集團莒山煤礦有限公司位于晉城市東北18km處，井田面積為9.0214km2，批準(zhǔn)開采3＃～15＃煤層。目前礦井3＃煤層正規(guī)工作面已采完，資源臨近枯竭。因此，選擇對3＃煤層遺留煤柱進行回采，是提高煤炭資源回收率，延長礦井服務(wù)年限的重要手段之一。礦方對3＃煤層遺留煤柱進行了全面調(diào)查篩選，將在六采區(qū)大巷煤柱布置ZF302放頂煤工作面進行回采。

3＃煤層位于山西組中下部，厚度為5.50～8.15m，平均厚6.13m。煤層頂板為砂質(zhì)泥巖或泥巖，底板為泥巖或砂質(zhì)泥巖。由于該區(qū)域原六采區(qū)運輸大巷位于3＃煤層底板巖層中，距ZF302采面最近處的層間距不足10m，這些都對ZF302工作面安全回采造成較大的影響，可能會出現(xiàn)下部巷道坍塌引起采面支架下陷。ZF302綜放面與下覆六采區(qū)運輸大巷的位置關(guān)系見圖1。

圖1 回采巷道與下覆運輸大巷的位置關(guān)系

綜放面開采過程中可能會存在如下問題。

(1)本綜放面是開采原有大巷煤柱，煤柱區(qū)域是應(yīng)力集中區(qū)，其下部開拓巷道受到的應(yīng)力較高。

(2)綜放開采對底板的擾動范圍大，綜放面與下覆巷道的距離為8～16.5m不等，其破壞深度增加可能會進一步影響巷道的穩(wěn)定。

(3)開采時綜放面前后方支承壓力的變化對于底板內(nèi)部的開拓巷道有很大的影響，其對巷道穩(wěn)定性的影響呈現(xiàn)出周期性的特點。

(4)綜放面在開采每一刀煤時都會經(jīng)過下覆開拓巷道上部，巷道頂板下沉可能會導(dǎo)致采面設(shè)備的下陷。

2 綜放面下覆巷道圍巖松動圈測試

巷道圍巖松動圈的大小反映巷道圍巖應(yīng)力是否超出巖石 (體)的抗壓強度，是與圍巖強度和圍巖應(yīng)力相融合的一個綜合指標(biāo)，可以直接反映測試巷道圍巖維護的難易程度，是進行巷道圍巖穩(wěn)定性評價和支護設(shè)計的重要依據(jù)。

本項目采用鉆孔成像測試方法進行巷道圍巖松動圈的確定。該方法操作簡單，可以直觀地觀察鉆孔內(nèi)不同深度巖層的破碎變形情況，從而可準(zhǔn)確確定圍巖松動圈的大小。

根據(jù)現(xiàn)場具體情況，在六采區(qū)運輸大巷選擇與ZF302采面不同層間距的3處測站。測站Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分別距離ZF302采面約16m、12m和8m。每個測站分別在頂板和兩幫鉆鑿垂直于巷道輪廓的孔眼?？籽壑睆郊s30mm，深度一般不低于4m，要求孔眼圓而且直，并把孔中煤巖粉吹干凈后才能進行測試。六采區(qū)運輸大巷3處測點圍巖松動圈測試結(jié)果見表1。

表1 六采區(qū)運輸大巷圍巖松動圈測試結(jié)果

松動圈實測結(jié)果表明莒山煤礦六采區(qū)運輸大巷的圍巖松動圈厚度小于1.5m，屬于中小松動圈，巷道穩(wěn)定性較好。但得注意的是，3處測站的頂板松動圈厚度都明顯大于兩幫。分析原因是由于碹體與巷道圍巖之間存在較大空隙 (根據(jù)現(xiàn)場鉆孔探測，空隙厚度一般在0.2m以上)，頂板圍巖在重力作用下逐步變形、破裂和離層。

3 綜放面開采對下覆巷道影響數(shù)值模擬

按照綜放面實際地質(zhì)條件和巷道尺寸建立計算模型，分析ZF302采面回采對其下部近距離開拓巷道的影響。

圖2 計算機數(shù)值模擬模型的巷道位置關(guān)系

莒山煤礦ZF302工作面采用綜放開采法開采3＃煤層大巷煤柱。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)生產(chǎn)條件采用FLAC3D建立模型研究綜放面開采對下部巷道圍巖應(yīng)力和變形的影響。計算模型選取鉛垂向為y方向，水平方向為x方向，沿煤層走向為z方向。考慮到開采變形的影響范圍，確定計算模型的尺寸為150m×80m×600m (x×y×z)，圍巖本構(gòu)關(guān)系采用摩爾-庫侖模型。下部邊界條件為位移邊界條件，y方向上為鉸支。所建數(shù)值模型如圖2所示。

根據(jù)綜放面開采的設(shè)計尺寸，主要針對綜放面開采進度對下覆開拓巷道影響設(shè)計不同的模擬方案，重點監(jiān)測綜放面圍巖應(yīng)力變化以及開拓巷道幫部圍巖應(yīng)力的變化情況。模擬結(jié)果見圖3和圖4。

從圖4中可以看出，隨著ZF302工作面的開采，在采空區(qū)內(nèi)由于煤層的開挖導(dǎo)致應(yīng)力釋放，形成了方形的應(yīng)力降低區(qū)；相應(yīng)地，在采空區(qū)周圍的煤體和煤柱內(nèi)部形成了應(yīng)力集中區(qū)，對于綜放面下部20m范圍內(nèi)的六采區(qū)運輸大巷位于工作面前方的5～25m范圍內(nèi)，出現(xiàn)了應(yīng)力升高區(qū)，最大靜集中應(yīng)力超過40MPa，由于采動造成的瞬時集中應(yīng)力可能更高，對大巷造成嚴(yán)重擾動，產(chǎn)生變形和破壞，因此，對下部巷道需要在工作面影響前進行相應(yīng)的加固。

六采區(qū)運輸大巷所處位置的初始豎向應(yīng)力為25MPa，原巷道開挖后，綜放面沒有影響之前，右?guī)?m深處的豎向應(yīng)力為38.2MPa。多個測點的模擬結(jié)果顯示，隨著上部ZF302采面與測點距離的減小，巷幫內(nèi)應(yīng)力出現(xiàn)明顯的增加，采面超前影響的范圍約為60～80m，此影響程度在測點超前20～25m的區(qū)域內(nèi)達到最大；隨著綜放面采過此測點，運輸大巷處于卸壓區(qū)，圍巖應(yīng)力急劇下降。

4 ZF302采面下部巷道加固方案與實踐

根據(jù)現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬研究結(jié)果可知，由于運輸大巷服務(wù)變形時間長導(dǎo)致碹體與圍巖之間存在較大空隙區(qū) (現(xiàn)場打孔實測結(jié)果在0.2m左右)，為提高支護結(jié)構(gòu)與圍巖的整體耦合作用，增加巷道穩(wěn)定性，加固之前必須先將碹體后部的空隙充填密實。從現(xiàn)場實際情況和現(xiàn)有技術(shù)水平考慮，對于與ZF302采面垂距大于12m的巷道可以采用 “壁后充填＋鋼梁＋單體液壓支柱”加固；對于垂距小于或等于12m的巷道采取回采前 “壁后充填＋錨桿＋鋼筋網(wǎng)＋錨索”預(yù)加固和回采影響期間 “鋼梁＋單體液壓支柱”動態(tài)超前加強支護相結(jié)合的方案進行維護。詳細加固方案如下:

(1)壁后注漿充填。注漿材料的選擇是注漿技術(shù)中的重要組成部分。根據(jù)現(xiàn)場條件確定采用水泥-水玻璃漿液。水泥-水玻璃漿液的水灰比控制在0.8～1.0，水玻璃的摻量為水泥重量的3%～5%。水泥采用42.5＃普通硅酸鹽水泥，水玻璃采用濃度為45波美度的液體水玻璃。

注漿短管采用?26mm的無縫鋼管加工，規(guī)格?26mm×500mm，孔深1000mm，每個斷面布置5根注漿短管，排距1.4m。見圖5。

(2)錨桿 (索)支護加固。為了保障巷道在回采期間不發(fā)生嚴(yán)重頂板下沉，選用規(guī)格為?20mm×2200mm BHRB335型左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，全斷面布置10根錨桿，錨桿間排距為900mm×900mm，設(shè)計錨桿安裝的預(yù)緊力矩不低于120N·m。

選用規(guī)格為?18mm×6300mm的高強度、大延伸率錨索，錨索間排距1600mm×1800mm，均采用 “三花”布置 (即相鄰兩排錨索中，一排在頂板中部布置一根，另一排在兩個拱肩處對稱布置兩根)，預(yù)拉力為100kN。

(3)“鋼梁＋單體液壓支柱”動態(tài)超前加強支護。根據(jù)理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果，從采面液壓支架尾部開始往前 (采面推進方向)60m長度范圍內(nèi)的下部巷道進行動態(tài)加強支護，隨著采面往前推進在前部架設(shè)支架的同時將后部的支架拆除。架柱式支護見圖6，頂板采用12＃槽鋼制作成4500mm的頂梁，橫梁采用3000mm槽鋼，橫梁與頂梁之間用350mm槽鋼連接，橫梁下采用3根單體柱支撐，單體柱間距為1400mm。支架支設(shè)密度為每1 m巷道架設(shè)1排。

架設(shè)單體液壓支柱時要保證支柱與工字鋼橫梁間連接牢靠，每兩根槽鋼拱梁之間用3根拉桿連接(拱頂中心和兩肩部各1根)，以防止歪架和倒架，并確保支柱初撐力不低于120kN。

在對六采區(qū)運輸大巷進行支護加固實踐過程中，要根據(jù)現(xiàn)場鉆孔情況確定巷道頂板與ZF302工作面底板的距離，隨時調(diào)整支護方式。

在巷道加固施工完成后，對ZF302綜放面進行了開采實踐，從對巷道的頂板下沉量觀測結(jié)果和綜放面機械設(shè)備在開采到開拓巷道上方時的下沉情況看，在綜放面前方15m范圍內(nèi)出現(xiàn)巷道頂板下沉加速的情況，但是下沉量最大沒有超過186mm，綜放面實現(xiàn)了安全開采，而且下覆六采區(qū)運輸大巷的臨時支護材料也實現(xiàn)了安全回收。

5 結(jié)論

在ZF302綜放工作面開采時，通過對其下覆六采區(qū)運輸大巷采取 “壁后充填＋錨桿＋鋼筋網(wǎng)＋錨索”預(yù)加固和回采影響期間 “鋼梁＋單體液壓支柱”動態(tài)超前加強支護相結(jié)合的支護方式，通過重點控制巷道頂板下沉量來降低回采面回采期間可能出現(xiàn)的底板破壞和設(shè)備下陷問題，取得了較好的效果，復(fù)采綜放工作面的煤柱實現(xiàn)了安全回收。

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