近距離煤層下巷道合理位置確定及支護方式

曹東升

(大同煤礦集團公司云岡煤礦)

近距離煤層下巷道合理位置確定及支護方式

曹東升

(大同煤礦集團公司云岡煤礦)

為解決近距離煤層采空區(qū)下巷道支護難的問題，采用數(shù)值模擬方法研究了云岡礦311盤區(qū)11-1#煤層采空區(qū)下極近距離11-2#煤層51115回采巷道的合理位置布置，根據(jù)51115回采巷道不同層間距的變化情況，采取了錨桿+鋼帶+錨索聯(lián)合支護錨桿、錨桿+鋼帶+3眼斜拉錨索梁聯(lián)合支護、11#工字鋼金屬棚等支護方式，有效控制了圍巖變形。

近距離煤層 采空區(qū) 數(shù)值模擬 巷道布置 支護方式

近距離煤層賦存和開采在我國煤礦中所占比例較大，平朔礦區(qū)、神東礦區(qū)、大同礦區(qū)、西山礦區(qū)、新汶礦區(qū)、淮南礦區(qū)等都存在近距離煤層開采的問題[1-3]。由于各個礦區(qū)產(chǎn)能要求高，工作面采掘接替緊張，近距離煤層開采下部煤層頂板原有的完整性受到了嚴(yán)重破壞，近距離上部煤層開采過程中，下部煤層頂板受到了采動破壞，其原始完整性受到了嚴(yán)重損傷，導(dǎo)致下部煤層頂板節(jié)理、裂隙更加發(fā)育，巷道頂板維護難度極大，上部煤層開采后，下部煤層頂板由于厚度薄，強度低，加之受采動破壞，頂板的穩(wěn)定性較差[4-7]。本研究采用數(shù)值模擬方法研究上部煤層殘留煤柱的傳力機制，并對巷道支護方案進行討論。

1 工程概況

311盤區(qū)51115工作面平均埋深232 m，地面位于老窯溝以北，南部溝坎，北部較平整。該工作面北部臨近南效區(qū)解入煤礦破壞區(qū)，西部為51117工作面，東部為51113采空區(qū)，南部為511回、311皮、311軌條盤區(qū)巷。地面無建筑物，中部及北部有道路相通，回采將會形成地面裂縫和塌陷。51115工作面走向長915 m，傾向長119 m，煤層總厚2.0～2.8 m，平均厚2.54 m，煤層結(jié)構(gòu)局部含0.1 m厚的夾石，煤層傾角1°～5°，平均3°，直接底為粉細砂巖互層，平均厚20 m，灰白色粉細砂巖互層，顆粒不均，上部夾薄層砂質(zhì)頁巖。該工作面與上覆11-1#煤層層間距為0.2～6.0 m，平均3.5 m，直接頂為粉細砂巖互層，厚0.2～6 m，平均厚3.5 m，為灰色粉細砂巖互層，水平層理，細膩光滑，南部局部發(fā)育砂質(zhì)頁巖。直接頂上方為采空的11-1#煤層，平均采高2.2 m，工作面走向長140 m，采空區(qū)之上為粉細砂巖互層，平均厚35 m，灰白色粉細砂巖互層，水平層理，中北部局部含9#煤層。

2 巷道合理位置確定

2.1 數(shù)值模型

根據(jù)11-1#，11-2#煤層的實際開采條件，采用FLAC3D軟件建立數(shù)值模型。11-1#煤層區(qū)段煤柱寬15 m，工作面長140 m，考慮對稱性及計算效率，取煤柱兩側(cè)的工作面長分別為70 m，則模型在X軸方向上寬155 m，模擬11-1#煤層工作面推進長120 m，兩端各留20 m煤柱，則模型在Y軸方向上長160 m，11-1#煤層厚2.2 m，11-2#煤層平均厚2.5 m，層間距3.5 m，模型前后左右僅約束水平位，底部為固定邊界。模擬煤層埋深232 m，按均布荷載施加于模型上部邊界，采空區(qū)冒落矸石是一種松散介質(zhì)，采用一定物理力學(xué)參數(shù)一次充填，模型模擬的煤巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 模型模擬的巖石力學(xué)物理參數(shù)

2.2 模擬結(jié)果

采用數(shù)值模型對上覆11-1#煤層支護巷寬為15 m 的煤柱進行模擬，沿工作面方向首先回采11-1#煤層，工作面每次推進10 m，共推進30 m，計算至平衡；然后以同樣的方法推進11-2#煤層，計算至平衡，得出保護煤柱寬度對下煤層工作面變形的影響規(guī)律，保護煤柱對開采近距離煤層底板煤巖層的垂直、水平應(yīng)力分布見圖1。與煤柱邊緣不同距離的垂直應(yīng)力分布曲線見圖2。

圖1 底板煤巖層應(yīng)力分布

圖2 與煤柱邊緣不同距離的垂直應(yīng)力分布

由圖1、圖2可知：與煤柱邊緣的距離為8～9 m時，垂直應(yīng)力快速衰減至原巖應(yīng)力，因此在布置巷道時應(yīng)與煤柱邊緣保持9 m以上的距離，可見，11-2#煤層51115回采巷道布置于距煤柱邊緣12 m處，垂直應(yīng)力幾乎趨近于原巖應(yīng)力。

3 51115巷道支護方案及支護效果

3.1 支護方案

51115巷布置于11-2#煤層中，工作面巷道形狀均為矩形，要求沿頂起底掘進，巷道頂板必須與11-1#煤層保持1.0 m以上層間距，若層間距小于1.0 m，則留1.0 m頂煤掘進。巷道底板坡度應(yīng)保持平緩，防止出現(xiàn)高低凸凹現(xiàn)象。

(1)層間距4 m以上。巷道斷面尺寸3.6 m×2.8 m，采用錨桿+鋼帶+錨索聯(lián)合支護方式。錨桿1排3根，1 700 mm×φ18 mm左旋無縱徑螺紋鋼錨桿，每根錨桿用1根φ23 mm，長600 mm樹脂錨固劑，排間距1 000 mm×900 mm，沿巷道中心線布置, 使用W型鋼帶(尺寸2 300 mm×250 mm×4 mm)，中心孔徑19 mm，錨索φ17.8 mm的鋼絞線沿巷道中心線布置1根，排距3 000 mm，層間距4～5 m 采用4 m錨索，5～6 m采用5 m錨索，6 m以上用6 m錨索。因受開采動壓影響，兩幫均用護幫網(wǎng)，護幫錨桿1排2根，護幫錨桿間距1.1 m，排距1.2 m，使用(1 700 mm×φ18 mm)錨桿+(2 000 mm×3 700 mm)菱形網(wǎng)+單眼鋼帶的支護方式，采用鉛絲將前后金屬網(wǎng)織成整體。

(2)層間距3～4 m。巷道斷面尺寸3.6 m×2.8 m，采用錨桿+鋼帶+3眼斜拉錨索梁聯(lián)合支護方式，錨桿1排3根，1 700 mm×φ18 mm左旋無縱徑螺紋鋼錨桿，每根錨桿用1根φ23 mm，長600 mm樹脂錨固劑，錨桿排間距1 000 mm×900 mm，錨索梁排距2 000 mm，兩端錨索使用3.5 m錨索，中部錨索采用長3.5 m，兩端錨索與頂板夾角60°，采用護幫錨桿1排2根，護幫錨桿間距1.1 m，排距1.2 m，使用(1 700 mm×φ18 mm)錨桿+(2 000 mm×3 700 mm)菱形網(wǎng)+單眼鋼帶的支護方式，菱形網(wǎng)須繃展，穿絲將前后網(wǎng)聯(lián)成整體。

(3)層間距3 m以下。巷道掘進斷面尺寸4.0 m×2.8 m，沿巷道中心線每幫擴200 m，支護形式以11#工字鋼棚為主，液壓單體柱為輔；受51113工作面采煤動壓影響，采用11#工字鋼進行架棚支護，鋼梁棚排距1.0 m，工字鋼梁長3.8 m，棚腿長2.75 m，棚腿應(yīng)支于實底上，棚腿及支撐座與鋼梁頂緊，棚腿底部向兩側(cè)偏50 mm，確保鋼棚整體性并設(shè)置防倒裝置，頂梁與頂板間用剎頂木剎緊背牢，剎頂木使用厚40 mm或60 mm木板，間距1 000 mm。當(dāng)頂板破碎或壓力增大時，頂板鋪菱形網(wǎng)，并將網(wǎng)壓緊壓實。當(dāng)現(xiàn)有支護方式無法滿足要求時，應(yīng)及時補強支護，支設(shè)液壓單體柱，確?！耙涣核闹薄．?dāng)層間距小于1 m時，頂板留有一定的頂煤，確保層間距在1 m以上，留頂煤時有必要在鋼棚下壓金屬菱形網(wǎng)。

3.2 支護效果

(1)巷道圍巖表面變形。巷道圍巖表面變形監(jiān)測結(jié)果表明，頂?shù)装逡平考s16 mm，兩幫移近量約18 mm，巷道整體的變形量較小，巷道斷面整體收縮率較小，巷道支護效果較好。

(2)頂板離層。在51115回采巷道支護期間，采用頂板位移傳感器進行離層監(jiān)測，淺部傳感器安裝深度2 m，深部傳感器安裝深度4 m，淺部最大離層量6 mm，深部最大離層量4 mm，深部、淺部頂板離層量均較小，可見巷道頂板圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié) 語

在對云岡礦51115回采巷道的合理位置布置進行數(shù)值模擬研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)該回采巷道不同層間距的變化情況，分別采取了對應(yīng)的支護方案，取得了較好的支護效果。

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2015-07-03)

曹東升(1970—)，男，高級工程師，碩士，037000 山西省大同市。