1201-2 回風(fēng)順槽采空區(qū)下合理錯(cuò)距及圍巖控制技術(shù)研究

王 帥

（山西汾西瑞泰正中煤業(yè)有限公司，山西 靈石 031308）

1 概況

汾西瑞泰正中煤業(yè)1201-2工作面井下位于一采區(qū)西北部，工作面北鄰椒仲舊井，南鄰一采區(qū)軌道上山，西鄰井田邊界，東部為實(shí)體煤層。工作面上部為2上號(hào)煤層1201-1采空區(qū)（2017 已采）和1203-1采空區(qū)（2019 已采）。1201-2工作面開(kāi)采2下號(hào)煤層，屬二疊系下統(tǒng)山西組中部，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含3 層夾矸，夾矸厚度0.35 m，煤層厚度2.2～3.1 m，平均厚度為2.8 m。工作面區(qū)域2下號(hào)煤層與2上號(hào)煤層間的平均間距為6.0 m，兩煤層間的巖層主要為砂質(zhì)泥巖和細(xì)粒砂巖，2上號(hào)煤層上覆巖層主要為砂質(zhì)泥巖和細(xì)粒砂巖。1201-2回風(fēng)順槽主要為1201-2工作面提供行人、回風(fēng)和運(yùn)料服務(wù)，巷道長(zhǎng)度為750 m，設(shè)計(jì)巷道沿煤層底板掘進(jìn)，巷道斷面為矩形，掘進(jìn)寬度×高度=4400 mm×3100 mm。

2 巷道與采空區(qū)合理錯(cuò)距分析

2上號(hào)煤層與2下號(hào)煤層屬于近距離煤層，其中2上號(hào)煤層開(kāi)采后，其上覆巖層會(huì)在采動(dòng)影響下產(chǎn)生破壞和彎曲下沉，使得2下號(hào)煤層覆巖形成多介質(zhì)屬性特征。另外2上號(hào)煤層開(kāi)采會(huì)破壞煤層底板的完整性，這種破壞會(huì)對(duì)2下號(hào)煤層圍巖的變形產(chǎn)生較大的影響。為有效分析近距離采空區(qū)下巷道合理的布置位置，為維護(hù)巷道圍巖穩(wěn)定提供基礎(chǔ)，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)1201-2回風(fēng)順槽與上覆1203-1回采順槽間的合理間距進(jìn)行分析。

根據(jù)1201-2工作面的賦存情況，建立長(zhǎng)×寬×高=110 m×10 m×45 m 的數(shù)值模型，模型底部邊界作固定處理，兩側(cè)邊界限制其水平位置，模型頂部施加等效自重荷載，并在上下煤層工作面開(kāi)采區(qū)域采用網(wǎng)格加密處理。結(jié)合眾多近距離煤層采空區(qū)下巷道合理布置位置相關(guān)研究[1-3]，本次模擬主要對(duì)1201-2回風(fēng)順槽與上覆1203-1回采順槽間錯(cuò)距為10 m、20 m、30 m 和40 m 時(shí)圍巖變形特征進(jìn)行對(duì)比分析，具體模型方案示意如圖1。

數(shù)值模型建立完畢后，為有效掌握2上號(hào)煤層開(kāi)采后周邊煤體和底板煤巖體內(nèi)的應(yīng)力分布特征，分別在2下號(hào)煤層底板（測(cè)線1）、2下號(hào)煤層（測(cè)線2）和2下號(hào)煤層頂板（測(cè)線3）布置應(yīng)力監(jiān)測(cè)線?，F(xiàn)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，分別對(duì)1201-2回風(fēng)順槽與上覆采空區(qū)不同錯(cuò)距下的圍巖應(yīng)力和塑性區(qū)分布狀態(tài)進(jìn)行分析。

（1）圍巖應(yīng)力。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，通過(guò)收集測(cè)線數(shù)據(jù)能夠繪制出3條測(cè)線的應(yīng)力曲線如圖2。

圖2 不同錯(cuò)距下巷道圍巖應(yīng)力分布圖

分析圖2 可知，2下號(hào)煤層回采時(shí)，當(dāng)回風(fēng)順槽與上覆1203-1回采順槽間的間距為10 m 時(shí)，回風(fēng)順槽位于應(yīng)力降低區(qū)，巷道掘進(jìn)后，整體應(yīng)力水平較低，最大應(yīng)力小于2.0 MPa；當(dāng)回風(fēng)順槽與上覆1203-1回采順槽間內(nèi)錯(cuò)20 m 時(shí)，巷道處于應(yīng)力降低區(qū)與原巖應(yīng)力恢復(fù)區(qū)的交界處，巷道掘進(jìn)后兩幫側(cè)應(yīng)力水平相差較大，巷道左幫應(yīng)力最大值為8.92 MPa，右?guī)蛻?yīng)力最大值小于2.0 MPa；當(dāng)回風(fēng)順槽與采空區(qū)間內(nèi)錯(cuò)30 m、40 m 時(shí)，下煤層回采巷道處于采空區(qū)矸石支承影響區(qū)，巷道掘進(jìn)后兩幫煤體的應(yīng)力呈現(xiàn)出明顯增高的現(xiàn)象，另外巷道兩幫側(cè)的底板巖體應(yīng)力明顯增長(zhǎng)，但巷道頂板巖體的應(yīng)力呈現(xiàn)出一定的降低趨勢(shì)。

（2）圍巖塑性區(qū)。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果能夠得出回風(fēng)順槽與采空區(qū)不同錯(cuò)距下圍巖塑性區(qū)發(fā)育特征如圖3。

分析圖3 可知，當(dāng)回風(fēng)順槽與上煤層回采巷道內(nèi)錯(cuò)10 m 時(shí)，在上煤層頂板開(kāi)采結(jié)構(gòu)的保護(hù)下，下煤層回采巷道處于應(yīng)力降低區(qū)，巷道掘進(jìn)后，圍巖塑性區(qū)發(fā)育較為均衡，塑性區(qū)的破壞深度在2～3 m的范圍內(nèi)；當(dāng)回風(fēng)順槽與上煤層回采巷道內(nèi)錯(cuò)20 m布置時(shí)，巷道處于應(yīng)力降低區(qū)向原巖應(yīng)力恢復(fù)區(qū)的過(guò)渡區(qū)域內(nèi)，下煤層回采巷道左幫塑性區(qū)域掘巷前塑性區(qū)發(fā)育連成一個(gè)整體，圍巖塑性區(qū)發(fā)育深度≤2.5 m；當(dāng)內(nèi)錯(cuò)30 m、40 m 時(shí)，下煤層回采巷道處于下煤層開(kāi)采的底板塑性區(qū)內(nèi)，圍巖塑性區(qū)的破壞范圍增大，造成周邊煤巖體的塑性破壞程度不斷增大。

圖3 不同錯(cuò)距下巷道圍巖塑性區(qū)分布圖

綜合上述分析可知，1201-2回風(fēng)順槽內(nèi)錯(cuò)上覆1203-1回采順槽的合理錯(cuò)距為10～20 m，結(jié)合回風(fēng)順槽的具體賦存情況，充分考慮工作面開(kāi)采的安全性，最終確定回風(fēng)順槽與上覆采空區(qū)間的錯(cuò)距為20 m。

3 支護(hù)方案及效果

3.1 支護(hù)方案

根據(jù)1201-2工作面回風(fēng)順槽與上覆2上號(hào)煤層采空區(qū)間的具體關(guān)系，結(jié)合回風(fēng)順槽的賦存特征可知，2下號(hào)煤層與2上號(hào)煤層間的平均間距為6 m，且2上號(hào)煤層頂板的砂質(zhì)泥巖和細(xì)砂巖層裂隙發(fā)育，2下號(hào)煤層開(kāi)采期間對(duì)底板具有一定的破壞深度。為確保錨網(wǎng)索主動(dòng)支護(hù)的效果，需提升2下號(hào)煤層頂板的主動(dòng)承載能力。由于2下號(hào)煤層開(kāi)采的破壞，2上號(hào)煤層頂板破壞程度較大。綜合目前現(xiàn)有近距離煤層開(kāi)采的研究結(jié)論和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[4-7]，確定1201-2工作面回風(fēng)順槽采用注漿短錨索+錨桿的支護(hù)方案，具體支護(hù)參數(shù)如下：

（1）頂板支護(hù)。錨桿采用Φ22 mm×1800 mm的高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm，錨固采用加長(zhǎng)錨固，錨桿預(yù)緊扭矩為300 N·m，兩頂角錨桿與頂板成20°布置，其余錨桿垂直頂板布置；錨索采用Φ21.6 mm×3500 mm 的短注漿錨索，間排距為1200 mm×1500 mm，錨索每排布置4 根，預(yù)緊力為210 kN，注漿材料采用水泥漿，水泥采用425#普通硅酸鹽水泥，水泥漿水灰比為0.5，注漿終孔壓力為4 MPa；頂部錨桿索間采用W 型鋼帶進(jìn)行連接，鋼帶規(guī)格為長(zhǎng)×寬×高=5000 mm×280 mm×5 mm，采用網(wǎng)格為100 mm×100 mm、尺寸為1600 mm×900 mm 的金屬網(wǎng)進(jìn)行護(hù)表。

（2）兩幫支護(hù)。幫部錨桿的參數(shù)同頂板，間排距為750 mm×800 mm，兩幫角錨桿與幫部成20°布置，其余錨桿均垂直巷幫布置，幫部采用塑鋼網(wǎng)進(jìn)行護(hù)表，網(wǎng)幅規(guī)格為4000 mm×1000 mm，網(wǎng)片壓茬連接，搭接長(zhǎng)度為100 mm，相鄰網(wǎng)片間采用16#鐵絲連接。

具體1201-2工作面回風(fēng)順槽支護(hù)方式如圖4。

圖4 回風(fēng)順槽支護(hù)斷面圖（mm）

3.2 效果分析

1201-2工作面回風(fēng)順槽掘進(jìn)期間，每間隔50 m布置一個(gè)巷道圍巖變形觀測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)緊跟迎頭設(shè)置，采用十字布點(diǎn)法進(jìn)行觀測(cè)分析。根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)能夠繪制得出圍巖變形曲線，現(xiàn)選取測(cè)站1～3 的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行具體分析，圍巖變形曲線如圖5。

分析圖5可知，1201-2工作面回風(fēng)順槽掘進(jìn)期間，圍巖變形主要出現(xiàn)在巷道掘出后的0～20 d 內(nèi)，頂?shù)装寮皟蓭妥冃卧谠撾A段處于快速增長(zhǎng)階段，圍巖變形速率快；當(dāng)巷道掘出20 d 后，圍巖變形速率大幅降低，圍巖逐漸趨于穩(wěn)定；當(dāng)巷道掘出25 d 后，圍巖基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。最終頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平康淖畲笾捣謩e為92 mm 和105 mm。

4 結(jié)論

根據(jù)1201-2工作面回風(fēng)順槽的賦存特征，通過(guò)數(shù)值模擬分析回風(fēng)順槽與上覆1203-1回采順槽間的合理間距，確定回風(fēng)順槽內(nèi)錯(cuò)上覆采空區(qū)20 m?；谙锏赖刭|(zhì)條件及模擬結(jié)果，設(shè)計(jì)巷道采用注漿短錨索+錨桿的支護(hù)方案，并對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)支護(hù)方案實(shí)施后的效果分析可知，巷道在20 m錯(cuò)距和現(xiàn)有支護(hù)下圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。