極近距離下位煤層開(kāi)采巷道布置優(yōu)化和支護(hù)技術(shù)研究

韓志敏

（同煤集團(tuán)四臺(tái)礦，山西 大同 037003）

1 工程概況

大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司四臺(tái)礦12#煤層的8215工作面即將進(jìn)入準(zhǔn)備階段，12#煤層均厚1.80m，煤層傾角0°～10°，平均為4°，工作面傾斜長(zhǎng)度150m，走向長(zhǎng)度1600m。12#上部為已經(jīng)回采完畢的11#煤層，12#與11#煤層間距最小1.74m，最大3.98m，平均2.46m。8215工作面地面相對(duì)位置南部為拒墻煤礦，西部為碾盤溝聯(lián)營(yíng)煤礦，東部為黃土坡煤礦，北為北辛窯煤礦。8215上覆有四臺(tái)礦11#煤層的8215工作面和8214工作面采空區(qū)，地面位置有廢棄小窯井筒。為了更加合理的確定8215工作面回采巷道的位置及支護(hù)方式，為工作面的安全開(kāi)采提供保障，針對(duì)四臺(tái)礦12#煤層8215工作面具體的地質(zhì)條件進(jìn)行了相關(guān)研究。

表1 工作面頂?shù)装鍘r性特征

2 上部煤層開(kāi)采底板損傷數(shù)值模擬分析

為詳細(xì)了解四臺(tái)礦11#煤層開(kāi)采對(duì)于下位12#煤層的具體影響，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，以該礦的11#煤層8215和8214工作面回采為工程背景，研究分析11#煤層開(kāi)采對(duì)于下部巖層的損壞情況。煤巖體采用摩爾—庫(kù)倫本構(gòu)模型，模型尺寸長(zhǎng)×寬×高=125×1×80m。11#煤層工作面采高3.5m，平均埋深為200m，12#煤層與11#煤層間距為2.5m。上位的11#煤層開(kāi)挖后采用一次性換充填材料模擬采空區(qū)冒落矸石[1]，開(kāi)挖示意圖及數(shù)值模擬模型如圖1所示。四臺(tái)礦11#煤層開(kāi)采時(shí)工作面之間的區(qū)段煤柱寬度變化較大，煤柱寬度在5～30m之間，因此設(shè)計(jì)模擬方案為11#煤層8215和8214工作面之間煤柱寬度分別為5～25m之間變化，1m為一個(gè)梯度，進(jìn)行11#煤層兩個(gè)工作面的回采。

圖1 模擬方案示意圖

圖2 11#煤層采動(dòng)對(duì)于底板巖層的塑性破壞情況

不同煤柱寬度條件下11#煤層開(kāi)采圍巖塑性區(qū)分布模擬結(jié)果如圖2所示，由于篇幅所限，僅展示典型的結(jié)果。根據(jù)模擬結(jié)果可知，11#煤層回采引起底板巖層的破壞形式以剪切破壞為主，塑性區(qū)存在明顯的兩層未發(fā)生破壞的巖層，研究表明為巖性較好的砂巖。采空區(qū)下方煤巖體破壞深度達(dá)35.6m，區(qū)段煤柱下方巖層的塑性破壞范圍較小，底板塑性區(qū)在空間上的形狀近似漏斗型，隨著煤柱寬度的增加，煤柱內(nèi)及下方煤巖體的塑性變形范圍逐漸減小。當(dāng)煤柱寬度小于8m時(shí)，煤柱完全進(jìn)入塑性狀態(tài)，并且煤柱下砂巖出現(xiàn)明顯的破壞；當(dāng)煤柱寬度為12m時(shí)，煤柱下方巖層完整性良好；當(dāng)煤柱寬度大于12m時(shí)，煤柱內(nèi)存在一定寬度的未破壞區(qū)域，煤柱下方煤巖體完整性良好。

3 極近距離下部煤層開(kāi)采巷道圍巖控制原理及應(yīng)用

近距離煤層下行開(kāi)采，合理的巷道位置很大程度上取決于與上層采空區(qū)、保護(hù)煤柱的空間位置關(guān)系[2～3]。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，12#煤層由于11#煤層采動(dòng)的影響，在11#煤層采空區(qū)下的煤巖體破碎嚴(yán)重，煤柱下煤巖體完整性良好。11#煤層8215工作面與8214工作面之間區(qū)段煤柱寬度為18m，因此將12#煤層的8215回風(fēng)順槽布置在11#煤層煤柱下方，8215運(yùn)輸順槽布置在采空區(qū)下方。根據(jù)模擬結(jié)果可知，采空區(qū)下的8215運(yùn)輸順槽圍巖將破碎較為嚴(yán)重，而8215回風(fēng)順槽圍巖完整性較好，因此設(shè)計(jì)采用不同的圍巖控制技術(shù)進(jìn)行巷道的支護(hù)。

3.1 采空區(qū)下巷道圍巖控制

8215運(yùn)輸順槽原設(shè)計(jì)斷面為矩形，尺寸寬×高=4.2×3.2m，將其斷面優(yōu)化為梯形，梯形斷面頂板寬度減小為4.0m，減少采空區(qū)下巷道頂板的跨度，提高頂板的穩(wěn)定性。采用全長(zhǎng)錨固錨桿使巷道頂板形成一個(gè)整體性較好的錨固體，在肩角通過(guò)桁架支護(hù)技術(shù)形成楔形錨固區(qū)，構(gòu)建一個(gè)頂板楔形加固區(qū)，并提高兩幫煤壁的支護(hù)強(qiáng)度達(dá)到減跨穩(wěn)頂?shù)哪康腫4]。

12#煤層8215運(yùn)輸順槽為梯形斷面，巷道頂板凈寬度為4.0m，底板寬度為5.0m，采用錨架棚聯(lián)合支護(hù)。梯形棚采用11#工字鋼加工而成，頂梁長(zhǎng)度為4.0m，棚腿長(zhǎng)3.5m，棚腿下部焊接長(zhǎng)寬為300mm的正方形鋼板，棚與棚間距為700mm。頂板采用Ф22×1400mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿配合鋼筋網(wǎng)、菱形金屬網(wǎng)、W型鋼帶聯(lián)合支護(hù)，每排布置五根，錨桿間排距為875×700mm，鋼帶尺寸為4200×210×3mm。兩幫采用Ф22×2000mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿配合菱形金屬網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)，錨桿間排距為800×700mm，靠近頂板的錨桿距離頂板400mm。錨桿錨固劑選擇凝結(jié)速度為快速和中速的樹脂藥卷，頂板和兩側(cè)幫壁錨桿采用藥劑為K2340、Z2360各一支。12#煤層8215運(yùn)輸順槽詳細(xì)的支護(hù)參數(shù)如圖3所示。

圖3 8215運(yùn)輸順槽支護(hù)詳情

3.2 煤柱下巷道支護(hù)方案及參數(shù)

12#煤層8215回風(fēng)順槽斷面尺寸寬×高=4.2×3.2m，巷道布置在11#煤層8215與8214工作面之間的區(qū)段煤柱下方，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，巷道圍巖并不會(huì)由于11#煤層采動(dòng)的影響嚴(yán)重破壞，其穩(wěn)定性仍較好，因此設(shè)計(jì)采用常用的錨桿、錨索及鋼筋網(wǎng)、W型鋼帶聯(lián)合支護(hù)，頂板采用Ф22×2000mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為875×900mm，每排五根錨桿均垂直頂板安裝，每隔兩排錨桿布置一排錨索，錨索選用Ф21.6×8000mm的高強(qiáng)錨索，采用三花布置，間排距為2800×1800mm，頂板錨索錨固劑使用快速K2340一支和Z2360三支，錨桿采用錨固劑為K2340、Z2360各一支，頂板采用直徑為6.5mm的鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔大小為100mm。兩幫錨桿型號(hào)與頂板相同，間排距為1600×900mm，距離頂板300mm，每隔一排錨桿布置一排Ф21.6×3000mm的高強(qiáng)錨索，兩側(cè)錨桿錨索交替布置，錨索間排距為1600×1800mm。12#煤層8215回風(fēng)順槽支護(hù)詳情如圖4所示。

圖4 8215回風(fēng)順槽支護(hù)方案

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

為考察支護(hù)方案的圍巖控制效果，12#煤層8215運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽掘進(jìn)施工階段設(shè)立圍巖位移觀測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)成巷后圍巖的位移情況，整理結(jié)果如圖5所示。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)結(jié)果可知，采空區(qū)下的8215運(yùn)輸順槽成巷后兩幫最大移近量為50mm，頂?shù)装遄畲笠平繛?5mm，煤柱下的8215回風(fēng)順槽兩幫最大移近量為28mm，頂?shù)装遄畲笠平繛?1mm，巷道圍巖整體上穩(wěn)定性很好，取得了良好的支護(hù)效果。

5 結(jié) 論

根據(jù)四臺(tái)礦12#煤層8215工作面具體的地質(zhì)條件，通過(guò)數(shù)值模擬及理論分析得知，11#煤層開(kāi)采對(duì)于底板巖層的擾動(dòng)破壞深度約為35.6m，采空區(qū)下的12#煤層煤巖體發(fā)生明顯的塑性破壞；煤柱寬度小于12m時(shí)，煤柱下方煤巖體存在塑性破壞區(qū)；煤柱寬度大于12m時(shí)，下方煤巖體較完整。據(jù)此設(shè)計(jì)采空區(qū)下12#煤層8215運(yùn)輸順槽采用錨桿架棚聯(lián)合支護(hù)，煤柱下8215回風(fēng)順槽采用傳統(tǒng)的錨網(wǎng)索支護(hù)，巷道掘進(jìn)過(guò)程中進(jìn)行圍巖位移監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，巷道圍巖變形有效的控制在合理的范圍內(nèi)，取得良好的應(yīng)用效果。

圖5 圍巖位移監(jiān)測(cè)結(jié)果