采空區(qū)下近距離煤層巷道穩(wěn)定性分析

王海平　張小康　連傳杰　馬長青

(1.山西焦煤霍州煤電集團；2.山東科技大學泰安校區(qū))

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采空區(qū)下近距離煤層巷道穩(wěn)定性分析

王海平1張小康1連傳杰2馬長青2

(1.山西焦煤霍州煤電集團；2.山東科技大學泰安校區(qū))

摘要團柏煤礦11#煤層工作面回采巷道掘進及支護過程中頂板淋水量大，且直接頂層理裂隙發(fā)育并呈碎裂結構，頂板完整性受到影響，局部易發(fā)生垮冒事故。針對采空區(qū)下近距離巷道頂板的圍巖特征，研究上煤層開采對下煤層頂板的影響，并進行了支護方案的優(yōu)選，通過現(xiàn)場試驗可知，錨網支護技術可在采空區(qū)下近距離煤層頂板巷道中推廣應用。

關鍵詞碎裂頂板；錨網支護；頂板淋涌水

目前，大多數(shù)近距離煤層都采用下行開采的方式，在上煤層開采后，采動支承壓力對下煤層巷道的穩(wěn)定性有一定程度的影響，對礦井生產帶來安全隱患。本文以團柏煤礦煤層賦存條件為基礎， 10#煤層開采后，對其下近距離的11#煤層頂板煤巷進行了穩(wěn)定性分析。

1　工作面概況

團柏煤礦11#煤層底板為1.50m的鋁質泥巖和1.5m的泥灰?guī)r。頂板為粉砂巖，平均厚度5.4m，上部緊鄰10#煤層采空區(qū)，11#煤層巷道位置如圖1所示。

圖1　11#煤層巷道位置關系示意

2　近距離煤層圍巖特征

(1)10#煤層和11#煤層為近距離煤層，由于10#煤層開采過程中采動支承壓力的作用，對11#煤層頂板產生一定程度的破壞，導致11#煤層部分頂板巖層裂隙發(fā)育，局部整體性差。若巷道支護方式不當，可能發(fā)生冒頂事故[1-2]。

(2)位于10#煤層采空區(qū)殘留煤柱下區(qū)域的11#煤層頂板應力集中，支承壓力高，煤柱下巷道容易受較大水平應力的影響，導致圍巖壓力增加，可能伴隨較大側壓現(xiàn)象發(fā)生，須采取高預緊力高強耦合方式支護[3]。

3　淋涌水對巷道頂板的影響評價

3.1淋涌水對碎裂巷道頂板影響

巷道開挖后，10#煤層頂板K2灰?guī)r中的水透過該煤層底板滲透入粉砂巖中，導致部分巖層加速破壞。

在流體滲透和圍巖應力共同作用下，11煤層頂板因水侵蝕出現(xiàn)膨脹軟化，造成碎裂巖塊間的摩擦力不足以支撐其重力，加劇了頂板間巖層完整性的破壞，進而引起整體垮落的危險[4]。

3.2淋涌水對支護系統(tǒng)影響

錨桿(索)安裝時可能遇裂隙水持續(xù)外流，會在粘結面上形成弱面；長時間浸泡后，導致錨固劑強度弱化，使錨桿(索)的錨固力及整個圍巖的強度都隨著時間的增加而逐漸降低，對支護系統(tǒng)的穩(wěn)定產生較大威脅。

4　近距離煤層開采的影響

4.1上部煤層開采對底板破壞程度的分析

團柏煤礦10#煤層、11#煤層工作面采用長壁布置，根據(jù)滑移線場理論，因支承壓力影響而形成的底板屈服破壞深度見圖2所示。

根據(jù)滑移線場理論，上部煤層開采時底板巖層損傷深度hσ為

(1)

式中，M為上部煤層開采厚度，2.7m；k為應力集中系數(shù)，3.0；γ為采場上覆巖層平均容重，2 500kg/m3；H為煤層埋藏深度，340m；C為煤體內聚力，3.01MPa；φ為煤體內摩擦角，32°；f為煤層與頂?shù)装褰佑|面摩擦系數(shù)f=tanφ；φf為底板巖層內摩擦角，34°；ξ為三軸應力系數(shù),ξ=(1+sinφ)/(1-sinφ)。

圖2 支承壓力所形成的底板破壞深度Ⅰ—主動極限區(qū)；Ⅱ—過度極限區(qū)；Ⅲ—被動極限區(qū)

4.2近距離下部煤層頂板分類

根據(jù)近距離煤層定義，結合前面的理論公式推導可知，當煤層的層間距離hj滿足下式時，應屬于極近距離煤層，其頂板全部為破碎頂板。

(2)

表1為近距離下部煤層頂板分類的評判標準。

表1　極近距離煤層頂板分類

從團柏煤礦的地質資料及附近相關礦井的地質報告得到，10#煤層開采對底板屈服破壞深度約0.7m，屈服比ψ=hσ/hj=0.13<1，且頂板厚度滿足hj≥1.5m。據(jù)此判定11#煤層巷道頂板為塊裂頂板，說明上部煤層開采后下部煤層頂板尚未完全損傷破壞，頂板內部具有穩(wěn)定區(qū)域。

4.3近距離下部煤層巷道支護

11#煤層與10#煤層屬于近距離煤層，常規(guī)的支護方式無法滿足巷道穩(wěn)定和快速施工的要求。根據(jù)國內外先進的巷道支護理念及技術，研究采用高預緊力高強錨桿配合錨索鋼梁支護。高預緊力錨桿可有效提高圍巖的殘余強度，錨桿支護形成的錨固平衡拱能揮圍巖自身的承載力，有效阻止頂板巖層松散冒落[5]。綜合考慮11#煤巷頂板碎裂特征，以及受10#煤層采空區(qū)淋水影響的具體情況，采用高預緊力高強錨桿+錨索槽鋼梁進行支護。

5　結　語

(1)10#煤層開采后，對11#煤層頂板產生一定程度的破壞，呈現(xiàn)裂隙發(fā)育、松散破碎，再加上10#煤層采空區(qū)大量積水的長期浸染，對安全生產構成一定的威脅。

(2)通過分析，判定11#煤層巷道頂板為塊裂頂板，采用高預緊力高強錨桿和錨索槽鋼梁系統(tǒng)支護，保證了巷道的穩(wěn)定性和安全性，實現(xiàn)了礦井安全生產。

參考文獻

[1]楊敬軒,劉長友,楊宇,等.淺埋近距離煤層房柱采空區(qū)下頂板承載及房柱尺寸[J].中國礦業(yè)大學學報,2013(2):161-168.

[2]郭偉.極近距離煤層采空區(qū)下回采巷道穩(wěn)定性分析及控制技術研究[D].太原：太原理工大學,2015.

[3]安宏圖.極近距離煤層采空區(qū)下回采巷道布置與圍巖控制技術研究[D].太原：太原理工大學,2015.

[4]沈運才.近距離采空區(qū)下松散煤層巷道支護技術研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學,2008.

[5]楊智文.極近距離煤層多采空區(qū)下巷道穩(wěn)定性影響因素及支護對策研究[J].中國煤炭,2014(4):60-64.

(收稿日期2016-05-16)

王海平(1964—)，男，總工程師，工程師，031400 山西省霍州市。