極近距離煤層采空區(qū)下切巷支護技術(shù)研究

吳兵兵

(霍州煤電集團有限責(zé)任公司 辛置煤礦，山西 霍州 031400)

煤礦開采強度的不斷增加，使近距離煤層開采出現(xiàn)問題。當(dāng)煤層間距較近時，下部煤層開采前頂板的完整程度已受上部煤層開采損傷影響，使下部煤層開采與單一煤層開采相比出現(xiàn)了許多新的礦壓現(xiàn)象［1，2］.本文結(jié)合三交河煤礦極近距離煤層開采的具體條件，運用數(shù)值模擬的研究方法，分析了上煤層開采對本煤層及其頂板和底板的影響特征，提出采空區(qū)下切巷具體的支護方法和礦壓控制措施，以保證工作面正常安全開采。

1 工程概況

三交河煤礦2#煤位于山西組的上部，近水平分布，分上下兩層，上層2－1煤層，平均厚度2.69 m，下層2－2煤層，平均厚度2.06 m，上下兩層間距0.10 ～12.00 m，平均5.60 m 左右，屬全井田穩(wěn)定的分叉全區(qū)可采煤層。由于上下兩層煤間距變化不定，部分采區(qū)前期采用了分層開采的方法，僅開采了上層2－1煤層，下層2－2煤層沒有開采。2－2－601 工作面是2－2煤層首采工作面，該工作面上部2－1煤層已被采空，工作面地面標高1 182 ～1 318 m，井下標高988 ～1 022 m，上覆基巖厚度160 ～330 m.2－2－601 切巷上部為采空區(qū)和上部工作面煤柱，切巷處于采空區(qū)下時切巷上部完整頂板厚度為2.5 ～4.6 m.

2－2－601 工作面切巷井下布置示意圖見圖1.2－2－601 工作面采用同向內(nèi)錯法，布置在2－1－311、2－1－309、2－1－307 工作面采空區(qū)下方，3 個2－1回采工作面回采結(jié)束期為7 ～9 年，采空區(qū)巖層運動已穩(wěn)定。2－1煤層311 工作面與309 工作面煤柱寬度為15 m;2－1煤層309 工作面與307 工作面煤柱寬度同樣為15 m，切巷的總長度為250 m.

圖1 切巷井下布置示意圖

在2－2－601 工作面切巷開口及附近進行鉆孔窺視，直接頂為泥巖和砂質(zhì)泥巖，厚度平均2.5 m，灰黑色，局部相變?yōu)榉凵皫r，夾煤線，灰黑色，含植物化石。2－1煤層厚度2.13 m，厚度穩(wěn)定，已采空。2－1煤層上部為泥巖、砂質(zhì)泥巖，厚度2 ～3 m.基本頂為K8 中砂巖5 ～10 m，灰白色，中粗粒石英砂巖，中厚層狀，致密堅硬，裂隙發(fā)育，穩(wěn)定。直接底為泥巖、砂質(zhì)泥巖，厚度2 ～4 m，灰黑色，局部相變?yōu)樯百|(zhì)泥巖，致密較硬。老底為中砂巖，厚度8 m，深灰色，中厚層狀，石英為主，水平層理，致密堅硬。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值模型的建立

本次模擬采用三維數(shù)值模擬計算軟件FLAC3D，根據(jù)該礦具體地質(zhì)條件，經(jīng)過簡化建立一個長方體數(shù)值模型，模型長300 m，寬度60 m，高度24.2 m.從下往上分別為中砂巖、砂質(zhì)泥巖、2－2煤層、泥巖、2－1煤層、泥巖、中砂巖，沿水平分層，厚度分別為4 m、3 m、2 m、2.5 m、2.2 m、2.5 m、8 m.切巷長度250 m，斷面為矩形，長5.7 m，高2.9 m.模型前后和左右邊界定為單約束邊界;底邊界定為全約束邊界;上邊界定為應(yīng)力邊界，應(yīng)力大小為5 MPa.

模擬方案:對2－1－311、2－1－309、2－1－307 工作面依次進行回采，計算穩(wěn)定后對切巷進行開挖。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

通過數(shù)值模擬計算，可以得到2－1－311、2－1－309、2－1－307 三個工作面回采結(jié)束后圍巖應(yīng)力重新分布情況及工作面及切巷圍巖的破壞情況。工作面回采后沿傾向方向的切面上圍巖的應(yīng)力分布圖見圖2. 沿切巷軸線方向垂直切面塑性區(qū)分布圖見圖3.

圖2 工作面回采結(jié)束后圍巖應(yīng)力分布圖

圖3 沿切巷軸線垂直切面上塑性區(qū)分布圖

由圖2 和圖3 可以看出:

1)工作面回采結(jié)束后，原巖應(yīng)力重新分布，煤柱兩側(cè)及兩側(cè)斜上方應(yīng)力向煤柱內(nèi)部轉(zhuǎn)移，煤柱出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，煤柱兩邊1.5 m 范圍內(nèi)已經(jīng)發(fā)生塑性破壞，煤柱應(yīng)力集中區(qū)域?qū)挾葹?0 m 左右，煤柱上最大應(yīng)力值為13.6 MPa，將近原巖應(yīng)力的2.8 倍。

2)煤柱上方和下方也出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象并往煤柱兩側(cè)呈輻射狀展開，隨著距離的增大應(yīng)力集中系數(shù)逐漸減小，煤柱兩側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)，如圖2 所示，煤柱右側(cè)應(yīng)力降低區(qū)在水平方向上距離為22.5 m，應(yīng)力降低區(qū)右側(cè)應(yīng)力基本上等同于原巖應(yīng)力。

3)上層煤及切巷開挖結(jié)束后，上層煤底板和切巷頂板都有一定深度的破壞，而且層間距又較薄，下層煤切巷頂板的破壞程度及完整性明顯差于單層煤開采巷道頂板，只選用錨桿支護已經(jīng)不能完全保障該切巷圍巖的穩(wěn)定性，應(yīng)聯(lián)合架棚支護。

綜上所述，極近距離上層煤的開采對下層煤工作面切巷穩(wěn)定性影響很大，需要進行錨桿、架棚聯(lián)合支護。

3 支護措施及現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果分析

按照一次支護、高預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力擴散、“三高一低”(即高強度、高剛度、高可靠性與低支護密度)、相互匹配、可操作性、經(jīng)濟合理等原則提出采空區(qū)下方切巷錨桿支護措施［3，4］. 根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合該礦生產(chǎn)條件及經(jīng)驗，在錨桿支護的基礎(chǔ)上再進行單體液壓柱配合π 梁支護。具體的支護方案見圖4.

頂板錨桿每排6 根，排距1 m，間距1 m，沿巷道頂板中線對稱布置，桿體為22#左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度2.4 m，鋼材屈服強度為335 MPa，桿尾螺紋為M24，螺紋長度150 mm，配高強度螺母;采用樹脂加長錨固，采用兩支低黏度錨固劑，一支規(guī)格為CK2340，另一支規(guī)格為Z2388;鉆孔直徑為30 mm，錨固長度為1 200 mm.托板采用拱型高強度托盤，規(guī)格為150 mm×150 mm ×8 mm，拱高不低于34 mm，配調(diào)心球墊和減摩墊圈;錨桿沿頂板法線方向布置。托板下面配W 鋼護板，規(guī)格為厚度4 mm，寬280 mm，長度450 mm;采用10#鐵絲編織的菱形金屬網(wǎng)護頂，網(wǎng)孔規(guī)格為50 mm×50 mm，網(wǎng)片規(guī)格為5 900 mm×1 100 mm;錨桿預(yù)緊扭矩不低于300 N·m.

圖4 支護方案圖

巷幫錨桿排距1 m，每排每幫3 根錨桿，間距1 m.最上面1 根錨桿距離頂板350 mm;桿體、托板和W 鋼護板均與頂板錨桿相同;樹脂端部錨固，采用1 支低黏度錨固劑，規(guī)格為Z2388. 鉆孔直徑為30 mm;錨桿垂直巷幫;采用10#鐵絲編織的菱形金屬網(wǎng)護幫，網(wǎng)孔規(guī)格為50 mm×50 mm，網(wǎng)片規(guī)格為1 800 mm×1 100 mm;錨桿預(yù)緊扭矩不低于300 N·m.

頂板π 型梁長度為5 400 mm，120 mm×120 mm.選用型號為DW31.5－300/110 的單體支柱，單體支柱“三·三”布置，間距3 300 mm 和1 800 mm(內(nèi)沿間距)，排距為2 000 mm(如果頂桿破碎嚴重則排距為1 000 mm).

4 現(xiàn)場應(yīng)用分析

三交河煤礦2－2－601 工作面切巷現(xiàn)已貫通完畢，施工過程嚴格按照設(shè)計和施工規(guī)程，保證成形質(zhì)量，不得超挖或欠挖，巷道掘進尺寸與設(shè)計尺寸相差不得超過200 mm，采用前探梁進行臨時支護，錨桿應(yīng)緊跟掘進頭及時支護，空頂距不得超過1.4 m. 當(dāng)頂板比較破碎時，應(yīng)適當(dāng)縮小空頂范圍，保證鉆孔垂直巖面。利用錨桿機攪拌樹脂藥卷，樹脂藥卷攪拌是錨桿安裝中的關(guān)鍵工序，攪拌時間按廠家要求嚴格控制，同時要求攪拌過程連續(xù)進行，中途不得間斷。停止攪拌后等待1 min 左右，擰緊力矩應(yīng)達到300 N·m，錨桿排距誤差不得超過設(shè)計值50 mm.幫錨桿安裝應(yīng)緊跟迎頭，最大空幫距離不得超過2.4 m. 當(dāng)煤幫斜茬發(fā)育，容易造成片幫時，幫錨桿必須緊跟迎頭及時打設(shè)，不得出現(xiàn)空幫現(xiàn)象，以防片幫造成錨桿外露太長，錨桿報廢，其它技術(shù)要求同頂板錨桿。金屬網(wǎng)鋪設(shè)網(wǎng)與網(wǎng)之間的壓接寬度100 mm，要求每格必聯(lián)。在施工過程中定期進行井下錨桿錨固力拉拔試驗，每次數(shù)量不少于3 根，拉拔試驗時錨固力均不低于桿體的屈服載荷。

掘進過程切巷圍巖完整性較好，對采空區(qū)下方巷道表面位移進行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果見圖5.由圖5 可知，切巷變形很小。該支護方法保證了圍巖的完整性和穩(wěn)定性。

圖5 巷道表面位移圖

5 結(jié) 論

1)上層煤和切巷開挖結(jié)束后，兩層煤中間巖層上部和下部都有一定程度地破壞，采空區(qū)下切巷處與應(yīng)力降低區(qū)或者原巖應(yīng)力區(qū)內(nèi)。

2)通過數(shù)值模擬計算，結(jié)合理論分析及工程經(jīng)驗，對于層間距為2.5 ～4.6 m 的近距離煤層開采，下層煤巷道只靠錨桿支護控制頂板及圍巖穩(wěn)定性，風(fēng)險太大，采用聯(lián)合架棚支護，能更好地保證圍巖穩(wěn)定性。

3)井下實踐表明，采用高預(yù)應(yīng)力強力錨桿錨索結(jié)合π 型梁支護，可以滿足近距離煤層開采下層煤切巷支護要求，巷道變形很小，保證了圍巖的完整性和穩(wěn)定性。

［1］ 朱 濤，張百勝，馮國瑞，等.極近距離煤層下層煤采場頂板結(jié)構(gòu)與控制［J］.煤炭學(xué)報，2010，35(2):190－193.

［2］ 白慶升，屠世浩，王方田，等.淺埋近距離房式煤柱下采動應(yīng)力演化及致災(zāi)機制［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2012，31(增刊2):3772－3778.

［3］ 康紅普，王金華.煤巷錨桿支護理論與成套技術(shù)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2007:24－25.

［4］ 康紅普.煤巷錨桿支護成套技術(shù)研究與實踐［J］.巖石力學(xué)工程學(xué)報，2005，24(21):3959－3964.