薄煤層工作面沿空留巷圍巖控制技術(shù)優(yōu)化研究

高作新

【摘 要】 針對現(xiàn)階段含春煤礦薄煤層沿空留巷開采過程中巷道圍巖控制困難問題，本文運用FLAC3D軟件對485E5-01N工作面巷道圍巖應力分布特征及變形情況進行了研究討論，并根據(jù)試驗結(jié)果及現(xiàn)場工程實踐對該區(qū)域沿空留巷圍巖變形控制問題進行了深入分析。對原有圍巖控制方式進行了優(yōu)化升級，并進行了現(xiàn)場工程實踐，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的圍巖控制技術(shù)能夠滿足支護要求，在一定程度上促進了礦井生產(chǎn)。

【關(guān)鍵詞】 薄煤層;沿空留巷;圍巖控制;錨桿支護;優(yōu)化設(shè)計

【中圖分類號】 TD353 【文獻標識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2019）04-0011-04 開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

本文基于前人研究成果，并結(jié)合山西、陜西、山東等煤炭主采省份沿空留巷圍巖控制經(jīng)驗，以含春煤礦+485E5-01N工作面為研究對象，采用數(shù)值模擬及理論分析等方法對沿空留巷圍巖控制技術(shù)進行研究優(yōu)化，以期能夠指導礦井生產(chǎn)，緩解礦井接替緊張局面，提升礦井煤炭采收率以及礦井經(jīng)濟效益。

1工程概況

本工作面位于+485水平，工作面編號為+485E5-01N工作面，如圖1所示。該工作面上為新開采區(qū)，僅南上部的+510E5-05N已回收完畢，不存在巷道積水;周邊關(guān)系皆無影響。開采高程：+460～+485m。巷道長150m，煤層傾角7°，平均厚度為1.1m，f=0.5。煤層直接頂為平均1.94m的泥巖，老頂為2.1～4.7m的泥質(zhì)砂巖，巷道平均埋深485m。巷道沿煤層頂板掘進，矩形斷面。

2巷道圍巖應力及變形特征分析

2.1數(shù)值模型建立

基于FLAC3D建模原理，根據(jù)試驗所用區(qū)域采礦地質(zhì)條件，建立數(shù)值模型，模型幾何尺寸為200m（長）×70m（寬）×120m（高），模擬地層主要參數(shù)為：煤層厚1m，埋深540m。根據(jù)計算分析的需要，同時考慮計算效率，對巖層厚度及性質(zhì)進行了適當?shù)暮喕?/p>

本次數(shù)值模擬采用模型為庫倫-摩爾模型，具體取值見表1。利用FLAC3D中的null本構(gòu)模型對+485E5-01N工作面進行開挖，工作面具體尺寸為150m（長）×50m（寬）×1m（高），開挖結(jié)束后又進一步開挖沿空巷道，模擬的巷道尺寸為4m（寬）×2.5m（高），深度為50m。

2.2試驗結(jié)果分析

FLAC3D模擬得到的巷道變形及應力變化云圖如圖2，從圖2中可以分析得到：

（1）在頂板垂直變形云圖中可以看出，采空區(qū)沿空側(cè)留巷幫的頂板下沉量最大達到500mm，實體巷幫一側(cè)頂板下沉量最大達300mm，相較而言留巷幫側(cè)的頂板下沉量遠遠大于實體煤幫側(cè)，明顯看出了頂板的不均勻下沉;底板在垂直方向未出現(xiàn)明顯變化。

（2）從水平方向上位移云圖來看，采空區(qū)側(cè)的留巷幫變形量最大達到65mm，而實體煤幫側(cè)達到48mm，明顯看出近采空區(qū)側(cè)的巷道圍巖變形明顯且增大趨勢明顯。

（3）從垂直應力云圖來看，由于開采過程中的超前支撐壓力影響，沿空側(cè)留巷幫應力釋放較好，而在深入實體煤幫側(cè)3-4m處產(chǎn)生了較為顯著的應力集中現(xiàn)象，最大垂直應力達26.5MPa，而此處原巖應力大致在12MPa，此時該區(qū)域的應力集中系數(shù)達到了2.2。

（4）從水平方向來看，兩幫的水平應力均發(fā)生下降明顯，表明此處受開挖影響，發(fā)生了較為大范圍的塑性破壞。

3沿空留巷圍巖變形控制分析

（1）工作面開采后，出現(xiàn)超前支撐壓力，并隨采動不斷向前傳遞，由于留巷幫處于超前應力影響范圍內(nèi)，受高應力影響，且受頂板回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的動力影響，沿空留巷幫往往受壓嚴重，產(chǎn)生較為顯著的圍巖破碎，而對于薄煤層的沿空留巷圍巖支護多用木垛來控制圍巖變形，或單體液壓支柱來進行圍巖控制，由于頂板的不均勻變形加之水平方向上的圍巖變形嚴重，使用這些剛性支護不僅難以完全發(fā)揮支護體的支護作用，且受圍巖水平作用力使其支護效果難以持續(xù)。

（2）根據(jù)實用礦壓理論，在工作面開采后，采場前方應力分布呈現(xiàn)內(nèi)外應力場，此時基本頂一端搭接在煤體彈塑性交界線，另一端在采空區(qū)觸矸，形成了“內(nèi)應力場”，因此巷道應盡可能地布置于內(nèi)應力場內(nèi)。

（3）通過模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)薄煤層沿空留巷存在著頂板不對稱下沉、巷幫不均勻變形等圍巖變形問題，在進行支護優(yōu)化改進時，應著重考慮支護形式，做到既能使巷道得到充分支護，又能使支護體充分發(fā)揮支護效果。且由于巷道頂板相對破碎，應選擇加長錨索進行錨固處理。

（4）針對沿空側(cè)巷幫大變形問題，應對其選用合適充填體來輔助其支承空區(qū)頂板，來使頂板下沉減小，使巷道圍巖保持在相對穩(wěn)定狀態(tài)。

4巷道圍巖變形控制設(shè)計優(yōu)化

根據(jù)數(shù)值模擬所得結(jié)果和圍巖變形控制分析，并結(jié)合現(xiàn)有工作經(jīng)驗，在原有支護設(shè)計基礎(chǔ)上對支護措施進行了優(yōu)化設(shè)計。

4.1沿空留巷支護設(shè)計

4.1.1巷內(nèi)基本支護

采用規(guī)格Φ×L=18mm×（1800mm/2000mm）的金屬全螺紋鋼錨桿，桿體抗拉強度235kN;Φ×L=17.8mm×6000mm的高強度錨索，沿空側(cè)、實體煤側(cè)配備M鋼帶、金屬網(wǎng)，頂板配備工字鋼帶。頂板支護分奇偶數(shù)進行布置，奇數(shù)排僅需布置錨桿，共布置5根錨桿，間排距為900mm×1000mm;偶數(shù)排需進行錨桿索聯(lián)合支護，共需2根錨索、3根錨桿，錨桿、錨索交錯布置，每根錨索采用5只樹脂錨固劑加長錨固，這種形式不僅能夠滿足支護要求而且能夠最大程度發(fā)揮支護體的支護效果;在巷道沿空側(cè)布置3根錨桿，且每根錨桿底部配備固定楔形帽，錨桿間排距900mm×1000mm;在實體煤幫側(cè)布置2根錨桿，每根錨桿采用2只樹脂錨固劑加長錨固，錨桿間排距1100m×1000mm。具體支護設(shè)計見圖3。

4.1.2巷旁支護

沿空幫頂板采用“錨索+工字鋼帶+金屬網(wǎng)”支護方式。其中采用Φ×L=18mm×6000mm的高強錨索，間排距為900mm×1000mm。頂板鋪設(shè)金屬網(wǎng)，并進行巷體支護，使在沿空側(cè)內(nèi)部設(shè)置一道充填墻，待體壓實后，采用“錨桿+M鋼帶+塑料網(wǎng)”支護方式，具體巷旁充填體加固設(shè)計見圖4。

4.2沿空留巷支護效果

4.2.1沿空留巷測站布置

在巷道中每10m設(shè)置一個測站，對巷道變形各參數(shù)進行觀測。

4.2.2沿空留巷圍巖變形分析

各測站最終測得的巷道變形規(guī)律相差不大，進挑選1#、5#測站觀測數(shù)據(jù)進行詳細敘述，如圖5所示。

從圖5中可以看出，在經(jīng)過支護方式的優(yōu)化設(shè)計后，頂板下沉量及兩幫移進量均出現(xiàn)大幅度減小，頂板下沉量僅為300mm，較未優(yōu)化前減小40%，而兩幫移進量最大為44mm，較未優(yōu)化前減小33%，使用錨桿索、錨網(wǎng)帶等新型的聯(lián)合支護形式能夠使薄煤層沿空留巷圍巖變形問題得到有效控制，且支護體的支護效果能夠得到最大程度的實現(xiàn)。

5結(jié)論

（1）通過運用數(shù)值模擬方法對+485E5-01N工作面沿空留巷圍巖位移及應力分布特征進行了研究分析：發(fā)現(xiàn)沿空巷道出現(xiàn)頂板不均勻下沉，沿空側(cè)頂板下沉量較實體煤幫側(cè)多下沉達200mm;同時巷幫變形量也出現(xiàn)了不均布性，沿空側(cè)高達65 mm，并且其圍巖變形明顯且呈現(xiàn)繼續(xù)增大趨勢;此外，通過應力云圖發(fā)現(xiàn)實體煤幫側(cè)3-4m處應力集中明顯，達26.5MPa。

（2）通過分析沿空巷道圍巖變形情況，系統(tǒng)討論并針對不同變形情況提出了針對性控制對策，頂板補增高強預應力錨索，配以錨網(wǎng)帶加固，在變形量更大的沿空側(cè)進行加強支護，增補錨桿數(shù)量，并采用錨網(wǎng)帶支護，在錨固段除采用樹脂黏結(jié)劑外，增補固定楔形帽以加強支護效果，通過實踐發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化的巷道支護能夠有效地控制沿空留巷的圍巖變形，使生產(chǎn)作業(yè)安全性得到保障。

【參考文獻】

[1]朱文勝，藺增元.頂?shù)纂p軟薄煤層沿空留巷支護技術(shù)[J].礦冶工程，2015，35（5）：22-24，27.

[2]巨峰，孫強，黃鵬，何琪.頂?shù)纂p軟型薄煤層快速沿空留巷技術(shù)研究[J].采礦與安全工程學報，2014，31（6）：914-919.

[3]李四清.薄煤層堅硬頂?shù)装寤夭上锏绹鷰r控制技術(shù)研究[J].江西煤炭科技，2018（2）：24-28.

[4]王玉峰.薄煤層石灰?guī)r頂板巷旁充填沿空留巷關(guān)鍵參數(shù)研究與應用[J].煤炭工程，2018，50（7）：5-9.

[5]余偉健，吳根水，劉海，等.薄煤層開采軟弱煤巖體巷道變形特征與穩(wěn)定控制[J].煤炭學報，2018，43（10）：2668-2678.

[6]馬啟廷，陳道志，謝文武.薄煤層硬頂軟底沿空留巷技術(shù)研究與應用[J].山東煤炭科技，2018（2）：29-31.

[7]張九雨.普通混凝土矸石帶聯(lián)合巷幫支護沿空留巷試驗[J].西安科技大學學報，2016，36（6）：813-817.

[8]劉崇凌，黃萬朋，高琳，王森.薄煤層膏體巷旁充填沿空留巷技術(shù)研究[J].煤炭技術(shù)，2015，34（2）：4-6.

[9]尹承榮.半煤巖巷柔?；炷裂乜樟粝锛夹g(shù)研究[D].西安：西安科技大學，2013.

[10]何滿潮，郭鵬飛，王炯.禾二礦淺埋破碎頂板切頂成巷試驗研究[J].巖土工程學報，2018，40（3）：391-398.

[11]高治文.薄煤層沿空巷道支護技術(shù)研究[J].山西能源學院學報，2019，32（1）：6-9.

[12]胡永燦，楊睿，段會強.薄煤層條件下沿空留巷優(yōu)化研究[J].煤炭技術(shù)，2016，35（1）：62-65.

[13]李海會.薄煤層條件下采動巷道圍巖控制技術(shù)研究[J].煤炭與化工，2018，41（9）：46-48，108.

[14]譚云亮，吳士良，尹增德，等.礦山壓力與巖層控制[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2008.