木瓜煤礦極近距離下位煤層切眼布置及支護技術(shù)研究

楊 陶

(霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司 木瓜煤礦，山西 方山 033100)

1 工程概況

木瓜煤礦開采的10號煤層為復雜結(jié)構(gòu)煤層，煤層厚度2.3～3.4 m，平均2.95 m，傾角4～8°，平均6°，煤層中部夾三層炭質(zhì)泥巖(0.3～0.7 m)，煤巖類型為半亮型焦煤。目前，10-102工作面正處于準備階段，蓋山厚度227～424 m，地面標高1 225～1 335 m，工作面標高927～988 m。煤層頂?shù)装鍘r性見表1。10-102工作面位于一采區(qū)準備巷道左翼，上部為9-104、9-106采空區(qū)。該工作面以東為實體煤；以南為南區(qū)實體煤，緊鄰一采區(qū)邊界；以西緊鄰10-106采空區(qū)。10-102工作面與上部9號煤層采空區(qū)間距為1～8 m，平均4.5 m。近距離煤層下行開采時，下位煤層巷道掘進過程中礦壓顯現(xiàn)劇烈、圍巖變形量大，巷道支護起來更加困難，并且工作面切眼斷面較大，掘進和支護過程中均面臨更大的困難，給工作面的正常采掘造成極大影響，本文以木瓜煤礦10-102工作面開切眼為工程背景，展開相關(guān)研究。

表1 10號煤頂?shù)装鍘r性特征

2 10-102工作面開切眼合理位置確定

近距離煤層下行開采時，下位煤層回采時上層煤已采空，下位煤層的回采巷道圍巖受上位煤層開采的影響，完整性和自穩(wěn)能力大大降低，下位煤層工作面回采巷道上部為上層煤的采空區(qū)或者遺留煤柱，根據(jù)以往的研究表明[1-2]，巷道位于煤柱下方時，常常由于劇烈的礦壓顯現(xiàn)導致巷道支護困難；當巷道位于采空區(qū)下方時，由于層間巖層厚度太小，導致傳統(tǒng)的錨桿錨索支護效果極差，仍然存在支護的難題。近距離條件下巷道的合理位置對于巷道的圍巖穩(wěn)定性非常關(guān)鍵，為確定10-102工作面切眼與9號煤層采空區(qū)遺留煤柱的合理錯距，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，根據(jù)木瓜煤礦10號煤層詳細的地質(zhì)條件1∶1建立數(shù)值模型，模型尺寸為：高×寬×長=60 m×125 m×1 m，模型采用摩爾-庫倫彈塑性單元，工作面埋深取350 m，模型上部設(shè)置均布向下荷載為8.75 MPa，數(shù)值模型及邊界條件如圖1所示。分別模擬9號煤層回采后10-102切眼布置在煤柱下及與煤柱錯距分別為0 m、4 m、8 m時，切眼圍巖的塑性破壞及位移情況，模擬結(jié)果如圖2和表2所示。

圖1 三維數(shù)值模型示意

圖2 圍巖塑性區(qū)分布

表2 不同錯距條件下圍巖變形量

根據(jù)圖2及表2可知，工作面切眼位于煤柱正下方時，兩幫圍巖塑性破壞范圍與采空區(qū)下煤巖體聯(lián)通，頂?shù)装搴蛢蓭偷奈灰屏繛樽畲螅磺醒叟c煤柱錯距為0 m時，底板塑性破壞深度與切眼處于煤柱下方相比明顯減小，右?guī)退苄云茐姆秶c切眼位于煤柱下方相比也相對減小，圍巖的位移同樣明顯減??；開切眼離煤柱邊緣4 m時，塑性區(qū)范圍相對較小，并且圍巖的位移達到最小，說明此時的開切眼受煤柱的影響較??；開切眼距離煤柱邊緣為8 m時，巷道底板塑性破壞范圍明顯增大，并且圍巖的變形量也開始增加，說明越靠近采空區(qū)中部切眼圍巖破碎越嚴重。綜合上述分析，選擇將開切眼布置在錯開煤柱4 m的采空區(qū)下方。

3 10-102工作面開切眼成巷方式模擬研究

10-102工作面切眼斷面為：寬×高=7.0 m×3.0 m，由于斷面尺寸較大，并且圍巖破碎嚴重，采用一次成巷的方式導致頂板支護困難，工作效率較低，因此設(shè)計采用二次成巷的方式[3]，通過數(shù)值模擬分析以下四種掘巷方式的優(yōu)劣：方案一，先掘?qū)挕粮?3.5 m×3.0 m，后擴刷3.5 m形成切眼；方案二，先掘?qū)挕粮?4.5 m×3.0 m，后擴刷2.5 m形成切眼；方案三，先掘?qū)挕粮?5.5 m×3.0 m，后擴刷1.5 m形成切眼；方案四，掘巷斷面寬×高=7.0 m×3.0 m,一次形成切眼。統(tǒng)計不同成巷方式條件下，切眼頂板的下沉量，整理后得到如圖3所示結(jié)果。

圖3 切眼不同成巷方式頂板下沉量

由圖3可知，開切眼一次成巷時，頂板下沉量最大；開切眼時掘進寬度為3.5 m時，雖然掘巷時頂板下沉量較小，但是擴刷時對頂板擾動程度較大，最終引起的頂板下沉量也較大；掘進寬度為5.5 m時，掘巷時引起頂板下沉量較大；先掘4.5 m后擴刷2.5 m時，擴刷對切眼頂板的擾動破壞較小，成巷后頂板的下沉量最小。因此根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，開切眼應(yīng)該采用先掘4.5 m再擴刷成巷的方式。

4 10-102工作面切眼圍巖控制技術(shù)

根據(jù)以上數(shù)值模擬結(jié)果， 10-102工作面切眼與9號煤層遺留煤柱錯距為4 m，切眼斷面經(jīng)過兩次施工后形成，一次掘巷斷面為寬×高=4.5 m×3.0 m，后擴刷2.5 m形成切眼。由于切眼頂板厚度較小，頂板支護選用水力膨脹錨桿[4]。

4.1 一次掘進時支護方案

一次掘進時導硐斷面寬為4.5 m，頂板支護采用D28 mm×2 400 mm的水力膨脹錨桿，間排距均為700 mm，錨桿通過D14 mm鋼筋梯子梁聯(lián)結(jié)，錨桿距離兩幫150 mm，最邊緣的錨桿向外側(cè)傾斜20°安裝。在錨桿之間布設(shè)一個工字鋼，通過兩個單體柱進行支撐。不刷幫側(cè)采用D22 mm×2 400 mm的高強螺紋鋼錨桿支護，間排距均為700 mm，配合鋼筋梯子梁及菱形網(wǎng)護幫，錨固劑采用CK2335和K2360各一支，靠近頂板的錨桿仰角20°安裝，其余垂直煤壁施工。擴刷幫采用D20 mm×2 000 mm的玻璃鋼錨桿進行支護，間排距為700 mm×800 mm，通過雙抗塑料網(wǎng)進行護幫，靠近頂板的錨桿仰角20°安裝，其余垂直煤壁安裝。一次掘巷支護示意如圖4所示。

圖4 一次掘進時巷道支護(mm)

4.2 二次擴刷后支護方案

二次擴刷的斷面寬度為2.5 m，頂板采用D28 mm×2 400 mm的水力膨脹錨桿，間排距為700 mm×700 mm，錨桿通過D14 mm鋼筋梯子梁聯(lián)結(jié)，菱形金屬網(wǎng)采用網(wǎng)孔為50 mm×50 mm護頂，錨桿距離煤幫200 mm，靠近切眼煤壁的錨桿向外側(cè)傾斜20°安裝。每排錨桿間設(shè)置一個單體液壓支柱進行支撐，支柱距離煤壁2 000 mm。擴刷后的煤壁采用D22 mm×2 400 mm的高強螺紋鋼錨桿支護，間排距為700 mm×700 mm，配合鋼筋梯子梁及菱形網(wǎng)護幫，錨固劑采用CK2335和K2360各一支，靠近頂板的錨桿仰角20°安裝，其余垂直煤壁施工。擴刷后最終形成的切眼支護方案如圖5所示。

圖5 切眼最終支護方案示意(mm)

5 現(xiàn)場應(yīng)用效果

為考察10-102工作面切眼布置位置、成巷方式及支護方式的應(yīng)用效果，切眼斷面形成后布置三個測站，測站間距離為50 m，監(jiān)測切眼頂?shù)装搴蛢蓭偷南鄬σ平?，整理后得到如圖6所示的結(jié)果。由圖可知，對切眼圍巖位移監(jiān)測的30 d內(nèi)，頂?shù)装逑鄬σ平孔畲笾灯骄s為89 mm，兩幫相對移近量最大值平均約為95 mm，圍巖的變形速率逐漸減小，成巷30 d后變形速度基本為零。由此可見切眼布置位置及支護技術(shù)有效地控制了切眼頂?shù)装寮皟蓭偷淖冃?，取得了良好的?yīng)用效果。

圖6 10-102工作面切眼圍巖位移規(guī)律

6 結(jié) 語

根據(jù)木瓜煤礦10-102工作面具體的地質(zhì)條件，通過數(shù)值模擬確定了工作面切眼與9號煤層遺留煤柱的合理錯距為4.0 m，掘巷方式為二次成巷：導硐斷面寬×高=4.5 m×3.0 m，后擴刷2.5 m形成切眼，并設(shè)計采用水力膨脹錨桿對切眼頂板進行支護，現(xiàn)場應(yīng)用及監(jiān)測結(jié)果表明，對切眼圍巖位移監(jiān)測的30 d內(nèi)，頂?shù)装逑鄬σ平孔畲笾灯骄s為89 mm，兩幫相對移近量最大值平均約為95 mm，切眼圍巖變形有效控制在合理的范圍內(nèi)，取得很好的支護效果。