泰安煤業(yè)極近距離煤層回采巷道合理布設(shè)位置研究

杜飛雄

(山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán) 忻州有限公司，山西 忻州 034000)

近距或極近距離煤層在我國各大礦區(qū)廣泛存在，目前主要分為上行開采和下行開采兩種開采方式，其中上行開采是指先開采下位煤層，待圍巖穩(wěn)定后進(jìn)行上位煤層開采；下行開采是指先開采上位煤層，再對下位煤層進(jìn)行回采[1]。無論下行開采還是上行開采，后開采煤層在先開采煤層采掘擾動和區(qū)段煤柱影響下，回采巷道圍巖完整性可能遭到一定程度破壞的同時，受區(qū)段煤柱應(yīng)力集中的影響，巷道易發(fā)生較大變形，增加了巷道維護(hù)的難度和成本，嚴(yán)重制約了工作面安全生產(chǎn)，因此選擇合理的回采巷道布設(shè)位置尤為重要[2-4]。就下行開采而言，回采巷道布設(shè)位置從空間上分為內(nèi)錯式、外錯式和重疊式3種，其中內(nèi)錯式布置是指下位煤層巷道布置在上位煤層工作面采空區(qū)內(nèi)側(cè)，該方式使巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，有利于維護(hù)巷道穩(wěn)定；外錯式布置是指下位煤層巷道布置在上位煤層工作面采空區(qū)外側(cè)，工作面長度大，回采率高，但受上位煤層區(qū)段煤柱應(yīng)力支承壓力作用的影響，巷道變形大，維護(hù)難度高[5-6]。

國內(nèi)學(xué)者專家對回采巷道不同布置方式進(jìn)行了大量研究，得到許多成果。王恩博通過對上位煤層煤柱應(yīng)力在底板的傳遞規(guī)律的計算和不同錯距下巷道圍巖應(yīng)力及變形規(guī)律的數(shù)值模擬結(jié)果，確定了9號工作面回采巷道的合理位置為內(nèi)錯煤柱15 m[4]。賀海鷹通過理論計算和工程類比確定了茨溝營煤礦5 號煤層回采巷道的合理錯距為內(nèi)錯5 m，并提出了分段+聯(lián)合支護(hù)的圍巖控制措施[5]。李進(jìn)基于對回坡底煤礦11號煤回采巷道受10號煤采動影響的分析，確定了巷道合理布設(shè)位置，降低了巷道支護(hù)和維護(hù)成本[6]。

本文基于上述研究成果，針對泰安煤業(yè)12102回風(fēng)巷道采用外錯煤柱5 m布置時，巷道變形大的情況，通過巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測試和數(shù)值模擬研究，確定了合理內(nèi)錯煤柱距離為5 m，為類似工作面回采巷道布設(shè)位置確定提供了參考。

1 工程概況

泰安煤業(yè)目前開采11號煤層和12號煤層，其中11號煤層厚度為1.43～1.95 m，平均1.57 m，煤層傾角3～14°，平均傾角為8°；12號煤層厚度為1.60～8.42 m，平均厚度為3.63 m，煤層傾角3～12°，平均傾角為7°。12號煤層直接底為泥巖，厚度為1.24～7.85 m，平均厚度為4.54 m；老底為S2砂巖，厚度為5.26～39.48 m，平均厚度為22.37 m。11號煤層和12號煤層間距為2.43～7.84 m，平均間距為3.63 m，為典型極近距離煤層。11號煤層11101工作面和11102工作面均回采結(jié)束，兩個工作面間留設(shè)34 m寬的區(qū)段煤柱。12號煤層12102工作面布置在11102工作面采空區(qū)下方，其中12102回風(fēng)巷道采用外錯煤柱5 m的方式布置，巷道沿12號煤底板掘進(jìn)，采用矩形斷面，斷面尺寸為4 500 mm×3 500 mm(寬×高)，設(shè)計走向長度1 041 m。上下位煤層相對位置及工作面布設(shè)情況如圖1所示。

12102回風(fēng)巷道在掘進(jìn)420 m期間，巷道出現(xiàn)底鼓和兩幫移近現(xiàn)象，礦方?jīng)Q定停止掘進(jìn)并密閉。半年后，打開回風(fēng)巷密閉發(fā)現(xiàn)，受到12101工作面回采影響，回風(fēng)巷道250～420 m范圍內(nèi)兩幫和底板出現(xiàn)較大變形，巷寬由4 500 mm減至2 000 mm～2 500 mm，巷高由3 500 mm減至1 500～2 000 mm，主要為底鼓。故此，礦方經(jīng)過充分討論，決定12102回風(fēng)巷道自200 m處改為內(nèi)錯煤柱，重新掘進(jìn)1條巷道，需確定其合理內(nèi)錯煤柱距離。

圖1 巷道布置平面圖

2 巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測試及評估

泰安煤業(yè)進(jìn)行了3個測站的巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測試。第1測點(diǎn)布置在11號煤層11102運(yùn)輸巷道中，距輔運(yùn)巷聯(lián)巷口75 m處；第2測點(diǎn)和第3測點(diǎn)分別布置在12號煤層上一采區(qū)輔運(yùn)巷900 m和950 m處。分別采用全景鉆孔窺視儀和WQCZ-56型圍巖強(qiáng)度測試裝置對3個測點(diǎn)的地應(yīng)力、圍巖結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度進(jìn)行測試，其中地應(yīng)力采用第1測點(diǎn)和第2測點(diǎn)兩個測點(diǎn)的結(jié)果，圍巖結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度測試采用位于12號煤層巷道中的第2測點(diǎn)結(jié)果。

2.1 頂板圍巖結(jié)構(gòu)

依據(jù)第2測點(diǎn)鉆孔觀測結(jié)果，結(jié)合收集到的相關(guān)地質(zhì)資料綜合分析可以得到：0～1.9 m為粉砂巖，呈深灰色，鈣質(zhì)膠結(jié)，該段巖層完整性較好；1.9～3.6 m為11號煤，黑色，亮煤，煤體完整；3.6～8.9 m為砂質(zhì)泥巖，巖層呈灰黑色，泥質(zhì)膠結(jié)，其中4.2 m處為泥巖夾層，5.0 m、6.2 m處有明顯的橫向裂隙，6.2～8.9 m巖層完整；8.9～9.2 m為10號煤；9.2～10 m為泥巖，呈灰黑色，泥質(zhì)膠結(jié)，完整性好。

2.2 頂板圍巖強(qiáng)度特征

采用WQCZ-56型圍巖強(qiáng)度測試裝置，在頂板鉆孔內(nèi)進(jìn)行了10 m范圍煤巖層的強(qiáng)度測試，強(qiáng)度測試結(jié)果表明：12號煤層頂板以上0～1.9 m為粉砂巖，巖石強(qiáng)度平均值為66.00 MPa；1.9～3.6 m為11號煤，煤體強(qiáng)度平均值為18.33 MPa。3.6～8.9 m為砂質(zhì)泥巖，巖石強(qiáng)度平均值為55.67 MPa；8.9～9.2 m為10號煤層，煤體強(qiáng)度平均值為22.79 MPa；9.2～10.0 m為泥巖，巖石強(qiáng)度平均值為34.54 MPa。在幫孔對12號煤層進(jìn)行煤體強(qiáng)度測試，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，12號煤層煤體強(qiáng)度平均值為14.34 MPa。

圖2 煤巖體強(qiáng)度測試結(jié)果

2.3 地應(yīng)力特征

第1測站最大水平主應(yīng)力為6.54 MPa，最小水平主應(yīng)力為3.39 MPa，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹38.6°W。第2測站最大水平主應(yīng)力為7.23 MPa，最小水平主應(yīng)力為3.92 MPa，垂直應(yīng)力為6.12 MPa，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹28.5°W。第3測站最大水平主應(yīng)力為8.65 MPa，最小水平主應(yīng)力為4.26 MPa，垂直應(yīng)力為6.12 MPa，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹29.7°W。根據(jù)0～10 MPa為低應(yīng)力區(qū)，10～18 MPa為中等應(yīng)力區(qū)，18～30 MPa為高應(yīng)力區(qū)，大于30 MPa為超高應(yīng)力區(qū)的判斷標(biāo)準(zhǔn)可知，該區(qū)域地應(yīng)力場在量值上屬于低應(yīng)力值區(qū)域。第2測點(diǎn)、第3測點(diǎn)最大水平主應(yīng)力均大于垂直應(yīng)力，最小水平主應(yīng)力為最小主應(yīng)力。所測區(qū)域應(yīng)力場類型為σH>σV>σh型應(yīng)力場。由此可知，最大水平主應(yīng)力對巷道的頂?shù)装逵绊懽饔么笥趯ο锏纼蓭偷挠绊懀淮怪睉?yīng)力主要影響巷道兩幫的受力和變形。

3 巷道合理布設(shè)位置數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值計算模型

根據(jù)泰安煤業(yè)12102回風(fēng)巷道工程地質(zhì)條件，采用FLAC3D數(shù)值計算軟件，建立數(shù)值計算模型，分別模擬研究內(nèi)錯煤柱5 m、8 m、10 m和13 m進(jìn)行12102回風(fēng)巷道掘進(jìn)時，巷道圍巖應(yīng)力分布特征。綜合考慮各方面影響因素，將模型劃分為7層，模型尺寸為468 m×50 m×40 m，12102回風(fēng)巷道斷面為5 000 mm×3 500 mm(寬×高)的矩形模型。數(shù)值模型共劃分為32 200個單元，35 438個節(jié)點(diǎn)。模型四周邊界限定水平方向位移，模型底部限定豎直方向位移[1,6]，模型頂部施加6.25 MPa的均布載荷以等效上覆巖層，所建數(shù)值計算模型如圖3所示。

圖3 數(shù)值計算模型

3.2 不同內(nèi)錯煤柱距離下巷道圍巖垂直應(yīng)力分布特征

圖4為不同內(nèi)錯煤柱寬度情況下，巷道圍巖垂直應(yīng)力與距12101采空區(qū)側(cè)煤柱邊界不同水平距離變化曲線。由圖4可知，在一定范圍內(nèi)，隨著內(nèi)錯煤柱寬度的不斷增加，12102回風(fēng)巷道圍巖垂直應(yīng)力集中程度越來越小，說明應(yīng)力環(huán)境越來越有利于巷道的穩(wěn)定。其中，內(nèi)錯煤柱寬度為5 m時，12102回風(fēng)巷道圍巖垂直應(yīng)力峰值約為15 MPa；內(nèi)錯煤柱寬度為8 m時，12102回風(fēng)巷道圍巖垂直應(yīng)力峰值約為10 MPa；內(nèi)錯煤柱寬度為10 m和13 m時，12102回風(fēng)巷道圍巖垂直應(yīng)力峰值均約為5 MPa，變化不大。

圖4 不同內(nèi)錯煤柱寬度下垂直應(yīng)力隨距采空區(qū)距離的變化曲線

從應(yīng)力曲線和最大應(yīng)力值來看，內(nèi)錯煤柱5 m時12102回風(fēng)巷道位于低應(yīng)力區(qū)。12102原回風(fēng)巷道密閉打開之后，在200 m、250 m和300 m等3處回采幫，向12102工作面?zhèn)仁┕ゃ@孔，鉆孔長度為10 m，對巷道圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測，結(jié)果表明各孔前2～3 m煤幫均較為破碎，后7 m左右均較為堅硬，相對完整。綜合數(shù)值模擬結(jié)果、現(xiàn)場鉆探和已有工程經(jīng)驗(yàn)[3]，確定12102回風(fēng)巷道合理布設(shè)位置為內(nèi)錯煤柱5 m。

4 巷道支護(hù)方案及支護(hù)效果

4.1 巷道支護(hù)方案設(shè)計

結(jié)合12102回風(fēng)巷道實(shí)際生產(chǎn)地質(zhì)條件和12101工作面回采巷道支護(hù)方案，提出采用“錨網(wǎng)索”支護(hù)方案對12102回風(fēng)巷道進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)斷面如圖5所示，具體參數(shù)如下：

1) 頂板支護(hù)。錨桿采用D20 mm×2 400 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為1 000 mm×1 000 mm，每根錨桿配合使用K2335和Z2360型低粘度樹脂錨固劑各1支，托板采用規(guī)格為150 mm×150 mm×8 mm的拱型高強(qiáng)度托板，錨桿預(yù)緊扭矩不低于250 N·m。采用規(guī)格為4 300 mm×280 mm×3 mm的W鋼帶和規(guī)格為4 700 mm×1 100 mm的鋼筋網(wǎng)。錨索采用D17.8 mm×6 300 mm的1×7股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，間排距為1 800 mm×2 000 mm，每根錨索配合使用1支K2335和2支Z2360樹脂錨固劑，錨索托板采用300 mm×300 mm×12 mm拱形高強(qiáng)托板，錨索預(yù)緊力為180～200 kN。

2) 非回采幫。錨桿采用D20 mm×2 400 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為1 200 mm×1 000 mm，每根錨桿使用1支Z2360低粘度錨固劑，錨桿預(yù)緊扭矩不低于250 N·m。采用10號鐵絲編織的菱形金屬網(wǎng)護(hù)幫，網(wǎng)孔規(guī)格為50 mm×50 mm，網(wǎng)片規(guī)格為3 000 mm×1 100 mm。

3) 工作面?zhèn)葞汀ｅ^桿采用D20 mm×2 200 mm的玻璃鋼錨桿，間排距為1 200 mm×1 000 mm，每根錨桿使用1支Z2360低粘度錨固劑，錨桿預(yù)緊扭矩40 N·m。采用塑料網(wǎng)護(hù)幫，網(wǎng)片規(guī)格3 000 mm×1 100 mm。

圖5 巷道支護(hù)斷面圖

4.2 支護(hù)效果

為了掌握12102回風(fēng)巷道內(nèi)錯煤柱5 m掘進(jìn)期間巷道圍巖變形情況，在12102回風(fēng)巷道內(nèi)布設(shè)2組巷道表面變形測站，測站間距為50 m，對巷道圍巖變形情況進(jìn)行實(shí)時觀測，結(jié)果表明：內(nèi)錯煤柱5 m并采用上述支護(hù)方案對12102回風(fēng)巷道支護(hù)后，巷道頂?shù)装搴蛢蓭拖鄬σ平孔畲笾捣謩e為146.25 mm和92.04 mm，且在巷道掘進(jìn)期間無冒頂、片幫和底鼓現(xiàn)象發(fā)生，為12102工作面安全回采提供了保障。

5 結(jié) 語

1) 對泰安煤業(yè)12102回風(fēng)巷圍巖地質(zhì)力學(xué)測試結(jié)果表明：12號煤層煤體強(qiáng)度平均值為14.34 MPa；應(yīng)力場類型為σH>σV>σh型，即最大水平主應(yīng)力對巷道的頂?shù)装逵绊懽饔么笥趯ο锏纼蓭偷挠绊?；垂直?yīng)力主要影響巷道兩幫的受力和變形。

2) 采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，研究了不同內(nèi)錯煤柱寬度下巷道圍巖垂直應(yīng)力分布規(guī)律，確定了12102回風(fēng)巷道合理布設(shè)位置為內(nèi)錯煤柱5 m。

3) 提出了“錨網(wǎng)索”支護(hù)方案并設(shè)計了支護(hù)參數(shù)，現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明：12102回風(fēng)巷道內(nèi)錯煤柱5 m掘進(jìn)并進(jìn)行支護(hù)后，巷道頂?shù)装搴蛢蓭拖鄬σ平孔畲笾捣謩e為146.25 mm和92.04 mm，且在巷道掘進(jìn)期間無冒頂、片幫和底鼓現(xiàn)象發(fā)生，巷道圍巖變形得到較好的控制。