近距離煤層采空區(qū)下巷道合理支護(hù)參數(shù)研究

莊晉

【摘 要】 文章針對(duì)近距離煤層采空區(qū)下巷道支護(hù)問題，采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等手段確定了合理支護(hù)參數(shù)。研究表明：距殘留煤柱一定距離上煤層采空區(qū)下方為應(yīng)力降低區(qū)，下煤層巷道應(yīng)該布置在該區(qū)域; 采用Φ20m×2000mm高強(qiáng)螺紋錨桿加固巷道頂板，間排距為1400mm×1500mm;巷道最大頂板下沉量和兩幫移近量分別為120mm和650mm，合理的支護(hù)參數(shù)有效減小了回風(fēng)巷圍巖變形量。

【關(guān)鍵詞】 近距離;煤柱;采空區(qū);錨桿支護(hù)

【中圖分類號(hào)】 TD353 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A

【文章編號(hào)】 2096-4102（2019）06-0016-02

近距離煤層開采時(shí)，上煤層采空區(qū)會(huì)破壞下煤層的完整性，同時(shí)，上煤層殘留的區(qū)段煤柱也會(huì)影響下煤層巷道圍巖的應(yīng)力分布。眾多學(xué)者對(duì)近距離煤層開采下煤層巷道合理布置和支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了大量研究，普遍認(rèn)為下煤層巷道布置在區(qū)段煤柱應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，可以提高巷道掘進(jìn)的安全性。但實(shí)踐表明，即使下煤層巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，同樣會(huì)受到礦壓影響產(chǎn)生較大的變形破壞，影響巷道的安全掘進(jìn)。因此，下煤層巷道不僅要布置在合理位置，還要加強(qiáng)支護(hù)，提高巷道的穩(wěn)定性。

1工作面概況

某礦3#、9#和15#礦的煤厚度分別為1.52m、6.31m、2.62m，3#礦位于9#礦上方約60m，9#礦位于15#礦上方約28m。153301工作面為一五三盤區(qū)首采面，工作面地面標(biāo)高843-972m，走向長度669.5m，傾向長度136m。工作面上方約28m為97301、97302工作面采空區(qū)，上方約88m為小煤窯采空區(qū)。153301工作面受9#礦區(qū)段煤柱的影響，兩巷局部區(qū)域圍巖出現(xiàn)變形破壞，尤其是靠煤壁一側(cè)破壞情況更為嚴(yán)重。

2煤柱底板應(yīng)力分析

上煤層工作面回采后會(huì)使頂板和兩幫的應(yīng)力逐漸向底板傳遞，造成工作面底板形成應(yīng)力集中。由于相鄰煤層之間存在殘留煤柱，底板應(yīng)力會(huì)向殘留煤柱傳遞，應(yīng)力逐漸在煤柱形成集中區(qū)。煤柱下方受集中應(yīng)力的影響形成應(yīng)力增高區(qū)，反而距殘留煤柱一定距離的采空區(qū)下形成應(yīng)力降低區(qū)，在該區(qū)域布置下煤層工作面回采巷道，能夠提高巷道的穩(wěn)定性，減小圍巖變形破壞程度。殘留煤柱底板應(yīng)力圖如圖1所示。

上煤層工作面回采后，頂板垮落后充填采空區(qū)，但是采空區(qū)邊緣位置上覆巖層深入煤柱和前方煤體，使上覆巖層出現(xiàn)長時(shí)間懸頂狀態(tài)，導(dǎo)致上覆巖層的重力傳遞至煤柱和工作面前方煤體，在該區(qū)域應(yīng)力出現(xiàn)集中，形成應(yīng)力增高區(qū)。隨著集中的應(yīng)力不斷增加，煤柱由彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)化為塑性狀態(tài)，煤柱承載能力降低。下煤層巷道掘進(jìn)受破碎煤柱應(yīng)力的影響，巷道圍巖易出現(xiàn)變形。

3下煤層巷道支護(hù)數(shù)值模擬

3.1模擬方案

采用FLAC3D模擬153301工作面回風(fēng)巷采用不同支護(hù)參數(shù)時(shí)巷道垂直位移和水平位移，得到近距離煤層回風(fēng)巷最優(yōu)支護(hù)參數(shù)。根據(jù)工作面巖層性質(zhì)設(shè)定模型參數(shù)，建立200m×200m×146m模型，模型上方施加3.8MPa應(yīng)力荷載。模型各巖層力學(xué)參數(shù)如表1所示。

3.2模擬結(jié)果分析

采用FLAC3D模擬153301工作面回風(fēng)巷頂板錨桿間距1400mm，排距為1500mm、1600mm、1700mm;兩幫錨桿排距1600mm，每排每幫3根（間距1.1m）和每排每幫2根（間距1.4m）錨桿時(shí)回風(fēng)巷垂直位移和水平位移變化量，得到最優(yōu)支護(hù)參數(shù)。

（1）垂直位移分析（如圖2）

由圖2可知，相同排距下兩幫各打兩根和三根錨桿巷道垂直位移基本相同，在此條件下，幫部支護(hù)強(qiáng)度對(duì)頂?shù)装逡平坑绊懖淮蟆?/p>

當(dāng)頂板錨桿排距為1500mm時(shí)，153301工作面回風(fēng)巷最大頂板下沉量和底鼓量分別為0.008m、0.018m，可以看出，巷道以底鼓變形破壞為主，但變形量相對(duì)較小;當(dāng)排距增加至1600mm時(shí)，最大頂板下沉量和底鼓量分別為0.01m、0.024m，與排距1500mm相比，位移略有增加，但變形仍然較小;排距進(jìn)一步增加至1700mm時(shí)，巷道頂?shù)装逡平棵黠@增加，頂板最大下沉量達(dá)0.015m，為排距1600mm變形量的1.57倍，巷道發(fā)生明顯底鼓，最大底鼓量達(dá)到0.05m，為排距1600mm底鼓量的2倍。模擬結(jié)果說明，排距1500mm、1600mm支護(hù)效果較好，且相差不大;排距1700mm巷道頂?shù)装逡平棵黠@增加，尤其底鼓量較大，巷道支護(hù)效果較差。

（2）水平位移分析（如圖3）

由圖3可知，排距相同時(shí)，兩幫各打三根錨桿進(jìn)行支護(hù)時(shí)，其兩幫位移量小于兩幫各打兩根錨桿，但差別不大，位移量僅減小1～2cm。

當(dāng)頂板錨桿排距為1500mm時(shí)，兩幫側(cè)向位移各為0.06m，說明巷道兩幫變形得到有效控制;當(dāng)排距增加至1600mm時(shí)，兩幫側(cè)向位移為0.07m，與排距1500mm相比，位移略有增加，但變形仍然較小;排距進(jìn)一步增加至1700mm時(shí)，兩幫變形量明顯增加，達(dá)到0.12mm，為排距1600mm變形量的1.7倍。模擬結(jié)果說明，排距1500mm、1600mm支護(hù)效果較好，且相差不大;排距1700mm兩幫側(cè)向位移量較大。

4下煤層巷道支護(hù)參數(shù)確定

153301工作面回風(fēng)巷頂幫采用錨網(wǎng)索支護(hù)的方式，根據(jù)FLAC3D模擬結(jié)果，確定錨桿、錨網(wǎng)、錨索的參數(shù)，如表2所示。

5效果檢驗(yàn)

在殘留煤柱應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)掘進(jìn)153301工作面回風(fēng)巷，并采用錨索加固巷道，通過在巷道頂板和兩幫設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)圍巖變形量來驗(yàn)證支護(hù)效果。通過4個(gè)月監(jiān)測(cè)后，巷道最大頂板下沉量和兩幫移近量分別為120mm和650mm。巷道圍巖變形得到了有效的控制，因此可以得出，合理掘進(jìn)位置和支護(hù)有效減小了回風(fēng)巷圍巖變形量。

6結(jié)論

以153301工作面回風(fēng)巷為研究對(duì)象，理論分析了區(qū)段煤柱底板應(yīng)力情況，可知在距殘留煤柱一定距離的上煤層采空區(qū)下為應(yīng)力降低區(qū)，下煤層巷道應(yīng)當(dāng)布置在該位置，才能提高巷道穩(wěn)定性。

采用FLAC3D分別模擬頂板錨桿間距1400mm，排距為1500mm、1600mm、1700mm;兩幫錨桿排距1600mm，每排每幫3根和每排每幫2根錨桿巷道垂直位移和水平位移變化量，根據(jù)模擬結(jié)果確定了巷道錨網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)。并布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)回風(fēng)巷圍巖變形量，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，合理掘進(jìn)位置和支護(hù)有效減小了回風(fēng)巷圍巖變形量。

【參考文獻(xiàn)】

[1]梁華杰，顧天州，趙忠義，等.近距離煤層開采巷道布置合理性分析[J].煤礦安全，2019，50（7）：249-253.

[2]付興，王鑫，蘇志剛，等.淺埋極近距離采空區(qū)下工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2019，47（7）：149-155.

[3]張步元.近距離煤層采空區(qū)下回采巷道圍巖控制技術(shù)研究與應(yīng)用[J].煤礦現(xiàn)代化，2019（5）：1-3.

[4]王衛(wèi)東.采空區(qū)下近距離煤層回采巷道布置優(yōu)化[J].煤礦現(xiàn)代化，2018（6）：1-3.

[5]王玉懷，張志科，黃剛，等.近距離煤層采空區(qū)下回采巷道合理位置的選擇[J].華北科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，15（1）：6-10.

[6]楊宗一.采空區(qū)及煤柱下不同位置巷道穩(wěn)定性控制研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2017.

[7]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(shù)研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2015.

[8]賈建東.近距離煤層回采巷道支護(hù)技術(shù)研究[J].山西能源學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，32（1）：10-11，20.