近距離煤層巷道布置及其支護(hù)體系研究應(yīng)用

李斌

摘要：沙曲二號(hào)煤礦近距離煤層煤柱下巷道布置受煤柱集中應(yīng)力影響大，煤柱集中應(yīng)力在底板中隨深度增加逐漸向煤柱兩側(cè)擴(kuò)散衰減，若巷道位于煤柱外應(yīng)力遞減區(qū)易使巷道受力、變形不均衡從而圍巖控制困難。本文通過煤柱影響應(yīng)力集中程度的研究，得出煤柱逐漸衰減點(diǎn)，以及不同煤柱寬度應(yīng)力遞減區(qū)范圍，為巷道布置提供技術(shù)參數(shù)，通過現(xiàn)場(chǎng)施工礦壓顯現(xiàn)不明顯，能夠滿足安全高效施工要求。

關(guān)鍵詞：近距離煤層;煤柱;巷道布置;支護(hù)研究

前言

近距離煤層群因煤層間距較小，近距離煤層開采過程中相互影響明顯，尤其是煤層群下行開采過程中，上煤遺留煤柱對(duì)下部巷道布置位置和圍巖控制產(chǎn)生較大影響。巷道位置所處應(yīng)力范圍分別為煤柱下高應(yīng)力區(qū)、煤柱邊界應(yīng)力遞減區(qū)和煤柱外低應(yīng)力區(qū)，煤柱下近距離煤層巷道布置巷道要盡量避開煤柱下高應(yīng)力區(qū)。巷道布置合理后，利用桁架錨索非對(duì)稱支護(hù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)圍巖的有效控制。

1 煤柱下集中應(yīng)力規(guī)律研究

1.1 數(shù)值模擬背景

數(shù)值模擬以沙曲二礦4#、5#煤層與煤柱采掘關(guān)系為工程背景，模擬研究4#煤層殘留煤柱產(chǎn)生的集中應(yīng)力在底板中傳遞規(guī)律。4#煤層與煤柱下5#煤層層間距5～6.5m。

1.2 煤柱集中應(yīng)力在底板中傳播衰減規(guī)律

經(jīng)數(shù)值模擬軟件計(jì)算得到，煤柱下高應(yīng)力區(qū)域?qū)挾入S遠(yuǎn)離煤柱逐漸減小，兩側(cè)區(qū)域相對(duì)增大，說明煤柱影響應(yīng)力集中程度逐漸減弱，應(yīng)力逐漸向兩側(cè)區(qū)域轉(zhuǎn)移。高應(yīng)力區(qū)范圍隨深度增加向煤柱中央方向縮短，應(yīng)力峰值現(xiàn)象隨深度增加逐漸不明顯;應(yīng)力遞減區(qū)和低應(yīng)力區(qū)分界位置分別標(biāo)記，分界位置隨深度增加依次向兩側(cè)移動(dòng)，應(yīng)力遞減區(qū)寬度隨深度增加而增大。

1.3 煤柱集中應(yīng)力下的巷道位置選擇

近距離煤層煤柱下回采巷道布置，應(yīng)盡量避開高應(yīng)力區(qū)，將巷道布置在較低應(yīng)力區(qū)，巷道圍巖壓力小易控制，同時(shí)應(yīng)考慮避開垂直應(yīng)力遞減區(qū)域，以免巷道頂板受到較大剪應(yīng)力作用，因此垂直應(yīng)力及其變化率均較低位置為巷道較優(yōu)布置位置。

對(duì)于特定地質(zhì)力學(xué)條件下布置煤柱下巷道，能夠采用數(shù)值模擬方法分析應(yīng)力分布規(guī)律，確定應(yīng)力及其變化率均較低位置。根據(jù)垂直應(yīng)力值在水平方向的變化規(guī)律，不同深度底板中臨界位置距煤柱邊界水平距離不同，通過不同深度測(cè)線臨界位置數(shù)據(jù)得到臨界位置距煤柱邊界水平距離隨深度變化關(guān)系。根據(jù)巷道較優(yōu)布置位置選擇原則，臨界位置可以作為巷道內(nèi)錯(cuò)煤柱的臨界水平位置。根據(jù)擬合函數(shù)和煤層間距能夠得到特定條件下應(yīng)力遞減區(qū)范圍及巷道較優(yōu)布置位置，具有普適性的應(yīng)力變化內(nèi)在規(guī)律。

2 煤柱集中應(yīng)力傳播衰減理論分析

不同深度底板中垂直應(yīng)力變化曲線，通過曲線斜率變化可以分析得出：

（1）在煤柱邊界附近各曲線上應(yīng)力值迅速下降，存在應(yīng)力變化率劇烈區(qū)且下降速度隨底板深度增加而減小，應(yīng)力遞減區(qū)范圍隨深度增加不斷擴(kuò)大，例如在距煤柱深2m底板中，垂直應(yīng)力在位置1（距煤柱邊界1.85m）應(yīng)力值就下降到1.0Mpa，而在距煤柱深12m底板巖層中，垂直應(yīng)力在位置2（距煤柱邊界11m）應(yīng)力值才下降到1.0MPa。

（2）各應(yīng)力曲線在煤柱邊界位置匯交于一點(diǎn)，應(yīng)力值為集中應(yīng)力的一半，定義該點(diǎn)為變遷點(diǎn)，該點(diǎn)左邊（煤柱下方）底板中垂直應(yīng)力值淺部大于深部應(yīng)力，該點(diǎn)右邊（煤柱外側(cè)）底板中垂直應(yīng)力值深部大于淺部。對(duì)比數(shù)值模擬中煤柱邊界有塑性區(qū)，其應(yīng)力曲線變遷點(diǎn)位置內(nèi)遷。

根據(jù)煤柱集中應(yīng)力對(duì)底板中巖層應(yīng)力分布影響規(guī)律，煤柱外側(cè)底板中集中應(yīng)力產(chǎn)生的垂直應(yīng)力和垂直應(yīng)力變化率雖不能為零，但都能夠迅速減小趨近于零，且深度方向上越靠近煤柱垂直應(yīng)力變化速率越快，因此能夠在煤柱邊界附近選擇應(yīng)力較小且應(yīng)力變化率較小的巷道位置。

3 煤柱影響巷道位置選擇效果分析

3.1 工程應(yīng)用實(shí)例分析

根據(jù)工程實(shí)際情況取4#煤層殘留煤柱埋深H為403m，煤柱寬度l為45m，煤柱兩側(cè)采空區(qū)長度D為216m，覆巖平均容重γ為25KN/m，煤柱兩側(cè)頂板破斷角取δ為45o，估算[9，14]煤柱載荷q為52MPa。煤柱距下部5#煤層布置工作面5302軌道巷，煤層間距取5.2m，應(yīng)力衰減系數(shù)取0.1，應(yīng)力變化率系數(shù)取1/52，即根據(jù)應(yīng)力衰減計(jì)算計(jì)算得到應(yīng)力值小于5.2MPa，且應(yīng)力水平方向變化率小于1MPa/m的應(yīng)力環(huán)境臨界位置，經(jīng)計(jì)算分析得，在距煤柱中心29m附近滿足條件，即距煤柱邊界6.5m，達(dá)到工程取值要求。

計(jì)算巷道較優(yōu)水平位置為6.36m，與理論計(jì)算公式相近。因此，5#煤層殘留煤柱下巷道合理布置位置在距煤柱邊界6.5m左右，考慮煤層間距變化及巷道一定塑性區(qū)范圍，確定4#煤層殘留煤柱下5#煤層5302軌道巷施工位置距煤柱邊界水平距離8m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巷道施工并監(jiān)測(cè)巷道礦壓顯現(xiàn)狀況，巷道掘進(jìn)500m，巷道采用錨網(wǎng)索支護(hù)，巷道頂板局部位置較破碎，整體變形量很小，說明巷道較好避開上煤柱集中應(yīng)力影響范圍，巷道圍巖控制效果良好。

3.2 工程應(yīng)用物理相似模擬分析

為直觀反映煤柱集中應(yīng)力在底板中傳播規(guī)律，根據(jù)工程實(shí)際建立物理相似模型并進(jìn)行加載破壞試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中采用液壓油缸在模型頂部不斷加載直至煤柱下煤巖層破壞，隨著不斷加載，煤柱下煤巖層逐漸發(fā)生破壞，最終煤柱下高應(yīng)力區(qū)及應(yīng)力遞減區(qū)發(fā)生塑性破壞，破壞范圍在距煤柱邊界6.5m～7m，與理論分析結(jié)果一致，模擬巷道距煤柱邊界8m，未直接受到集中應(yīng)力影響，巷道圍巖穩(wěn)定。

4 支護(hù)方式

4.1 5302工作面概況

5302工作面為三采區(qū)第二個(gè)5#煤工作面，采區(qū)5#煤層首采面5301工作面在4#煤層4301工作面采空區(qū)下回采，目前已回采完畢，5301工作面軌道巷內(nèi)錯(cuò)4301軌道巷煤柱12m。5302工作面主要在4302工作面下布置，4302工作面分上下兩部分回采，中間用30m煤柱隔開。4302工作面回采上部分煤層時(shí)，與3#煤層合采，工作面長度265m，推進(jìn)長度512m，工作面4302軌道巷沿空留巷;4302工作面回采下部分時(shí)，單獨(dú)開采4#煤層，工作面長度216m。

施工的5302工作面軌道巷與5301工作面軌道巷相鄰，兩巷煤柱寬度留設(shè)受到上部4301、4302工作面區(qū)段煤柱影響嚴(yán)重，巷道圍巖控制需要優(yōu)化。該巷道與5301工作面相鄰，兩巷煤柱寬度留設(shè)受到上部4301、4302工作面區(qū)段煤柱影響嚴(yán)重，巷道圍巖支護(hù)方案需要優(yōu)化。

4.2 5302工作面軌道巷桁架錨索非對(duì)稱支護(hù)機(jī)理

錨索桁架復(fù)向系統(tǒng)是能夠在巷道頂板的水平和鉛垂方向同時(shí)提供擠壓應(yīng)力的預(yù)應(yīng)力支護(hù)結(jié)構(gòu)，它克服了單體錨索支護(hù)不能提供水平張緊力的缺陷，使得錨固區(qū)內(nèi)的煤巖體處于多維擠壓狀態(tài)，作用特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：

（1）雙向施力：預(yù)應(yīng)力錨索桁架聯(lián)合控制系統(tǒng)能在水平和鉛垂方向同時(shí)提供主動(dòng)支護(hù)力，且所受的拉應(yīng)力和提供的支護(hù)力隨頂板變形而增加。

（2）長軟抗剪：錨索桁架長度大、抗剪性能強(qiáng)，斜穿過煤幫上方附近頂板最大剪應(yīng)力區(qū)且作用范圍大，與角錨桿和頂板共同承擔(dān)剪應(yīng)力，能有效控制頂板剪切破壞;

（3）線性承載：預(yù)應(yīng)力錨索桁架控制系統(tǒng)鋼絞線與頂板成線接觸，鋼絞線上的載荷能連續(xù)傳遞且能方便地施加很高的預(yù)拉力，支護(hù)作用范圍大，松散破碎頂板受力狀態(tài)好;

（4）錨固點(diǎn)穩(wěn)：錨索桁架錨固點(diǎn)位于巷道兩肩窩深部不易破壞的三向受壓巖體，不易受頂板離層和變形的影響，為錨索桁架系統(tǒng)發(fā)揮高錨固力提供了可靠穩(wěn)固的承載基礎(chǔ)。

4.3 5302軌道巷錨索桁架支護(hù)設(shè)計(jì)

（1）5302軌道巷頂板支護(hù)方案

①錨桿規(guī)格參數(shù)：頂板采用Φ22×2400mm螺紋鋼錨桿（配套使用一塊100×100×16mm小墊片）錨桿間排距700×900mm，配套4m6眼w鋼帶。頂錨桿初錨力不小于30KN，錨固力不小于60KN;

②錨索桁架規(guī)格參數(shù)：?jiǎn)误w錨索和槽鋼錨索規(guī)格均為Φ17.8×5300mm，單體錨索（配套使用一塊200×200×16mm方墊片）。 錨索預(yù)緊力不得低于110KN，錨固力不得低于230KN。

錨索桁架布置：間排距為1300mm×1800mm，鉆孔深度4800mm，煤柱幫側(cè)錨索距巷幫600mm?？拷鼉蓭偷腻^索鉆孔與頂板垂線的夾角為15°，中間的錨索垂直頂板布置。

鋼筋梯子梁規(guī)格：三根錨索用鋼筋梯子梁連接，長度3300mm×70mm（長×寬），采用整根φ16mm的鋼筋彎曲后，對(duì)距鋼筋梯子梁端頭0～150mm范圍內(nèi)的搭接處（搭接長度150mm）進(jìn)行高質(zhì)量焊接加工;在距鋼筋梯子梁左端頭670～680mm、1970～1980mm處用厚4mm、寬100mm的薄鋼板進(jìn)行包裹連接。槽鋼規(guī)格：巷道中部錨索和靠煤柱幫側(cè)錨索采用16號(hào)槽鋼連接，長2000mm。

（2）5302軌道巷兩幫支護(hù)方案

錨桿型號(hào)：Φ22×2400mm螺紋鋼錨桿（配套使用一塊150×150×10mm小墊片），幫錨桿扭距不得低于200N·M，錨固力不得低于50KN。錨桿間排距800×900mm，配套1.9m3眼w鋼帶。靠近頂板處錨桿向上傾斜15°，靠近底板處錨桿向下傾斜15°，其余垂直布置。護(hù)幫材料：長×寬為10×1.0m聚丙烯雙抗網(wǎng)支護(hù)。

（3） 5302軌道巷支護(hù)效果分析

圖3為5302軌道巷外段兩幫及頂板位移量，巷道支護(hù)后整體變形量較小，巷道煤柱幫比煤體幫鼓幫量大，巷道左幫鼓幫量最大值為0.088m，右?guī)凸膸土孔畲笾禐?.031m。巷道頂板位移量較小，頂板表面下沉量0.048m。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)分析煤柱集中應(yīng)力在底板中傳播特征，在煤柱邊界位置不同深度底板中應(yīng)力變化率達(dá)到最大值，且隨著深度的增加應(yīng)力變化率逐漸減小，在煤柱寬度方向上應(yīng)力變化率值隨遠(yuǎn)離煤柱邊界逐漸向零趨近，滿足工程需求的巷道合理內(nèi)錯(cuò)位置，為煤柱下巷道水平位置選擇提供了依據(jù)。

（2）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)際，得出煤柱下近距離煤層巷道內(nèi)錯(cuò)煤柱距離的最優(yōu)值，巷道布置工程效果較好，通過礦壓分析，驗(yàn)證了巷道布置的合理性。

（3）采用錨索桁架非對(duì)稱支護(hù)技術(shù)，5302軌道巷圍巖應(yīng)力、兩幫及頂板變形位移量均在合理的范圍內(nèi)，控制效果良好，支護(hù)方案合理。

（4）5302軌道巷距煤柱邊界水平距離為8m，較相鄰的5301軌道巷減少4m，則5302工作面可多回采煤炭資源1.64萬噸，折算精煤1.066萬噸，按照沙曲精焦煤長協(xié)價(jià)1280元/噸計(jì)算，可創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益1364.5萬元。

（5）采用該支護(hù)技術(shù)后，保障了近距離煤層開采過程中的圍巖支護(hù)質(zhì)量，且巷道無需進(jìn)行工字鋼棚二次補(bǔ)強(qiáng)維護(hù)，大大降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，可節(jié)約材料費(fèi)用約46.2萬元。

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