煤層群開(kāi)采采空區(qū)下回采巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)技術(shù)研究

閆 偉

(山西西山煤電股份有限公司 鎮(zhèn)城底礦，山西 古交 030203)

山西某礦批準(zhǔn)開(kāi)采煤層有3#上、3#、4#、9#及11#等煤層，開(kāi)采煤層具有厚度大、煤層間距小等特點(diǎn)。現(xiàn)階段生產(chǎn)主要集中在3#及4#煤層，上覆的3#上煤層已基本回采殆盡，3#上、3#、4#煤層厚度分別為3.9 m、2.16 m、4.3 m，煤層層間距分別為4～7 m、5～20 m、3～12 m.礦井3號(hào)煤層回采巷道掘工作面位于3#上采空區(qū)(保護(hù)煤柱)下方，從3#煤層回采巷道掘進(jìn)揭露圍巖條件來(lái)看，采空區(qū)下方的3#煤層頂板裂隙發(fā)育，局部存在較為明顯的破碎區(qū)，確保3#煤層回采巷道高效掘進(jìn)及支護(hù)是實(shí)現(xiàn)煤層高效回采的關(guān)鍵之一[1-3]。文中就結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，提出回采巷道圍巖支護(hù)技術(shù)，以便為巷道快速掘進(jìn)及安全使用創(chuàng)造良好條件。

1 工作面概況

3103運(yùn)輸巷沿著回采的3#煤層底板掘進(jìn)，巷道設(shè)計(jì)掘進(jìn)長(zhǎng)度為1 250 m，主要服務(wù)于3103綜采工作面進(jìn)風(fēng)、運(yùn)輸?shù)取?103運(yùn)輸巷掘進(jìn)范圍內(nèi)3#煤層厚度在1.26～3.52 m，平均2.1 m，煤層傾角均值為7°.3#煤層頂板巖性為粉砂巖、砂質(zhì)泥巖，底板巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖以及細(xì)砂巖。

3103運(yùn)輸巷原設(shè)計(jì)采用錨桿、鋼筋梯子梁、錨網(wǎng)方式進(jìn)行支護(hù)，具體圍巖支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表1所示。由于3#煤層上覆為已經(jīng)回采完畢的3#上煤層采空區(qū)(保護(hù)煤柱)，受上覆采空區(qū)及煤柱等影響，3103運(yùn)輸巷掘進(jìn)支護(hù)后圍巖變形量較大，部分區(qū)域頂板下沉量甚至超過(guò)500 mm，若不針對(duì)性增強(qiáng)3103運(yùn)輸巷支護(hù)強(qiáng)度，巷道在后續(xù)掘進(jìn)及使用期間可能面臨垮頂或者圍巖支護(hù)體系失效等安全風(fēng)險(xiǎn)，給井下生產(chǎn)帶來(lái)較大的安全威脅。為此，文中就針3103運(yùn)輸巷在上覆采空區(qū)及煤柱下掘進(jìn)圍巖變形量大問(wèn)題，通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)分析不同支護(hù)參數(shù)下圍巖變形特征，并給出圍巖支護(hù)方案，以便實(shí)現(xiàn)煤層群采空區(qū)下回采巷道安全高效掘進(jìn)。

表1 3103運(yùn)輸巷圍巖原支護(hù)參數(shù)

2 巷道支護(hù)數(shù)值模擬

受3#上采空區(qū)(保護(hù)煤柱)影響，3103運(yùn)輸巷采用原有支護(hù)參數(shù)時(shí)，巷道頂板下沉量較大，需要針對(duì)性對(duì)圍巖進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。結(jié)合3103運(yùn)輸巷掘進(jìn)區(qū)域內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件以及鄰近礦井3#煤層回采巷道圍巖支護(hù)方案，提出采用單體+工字鋼方式對(duì)圍巖進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，以便增強(qiáng)巷道支護(hù)強(qiáng)度[4-5]。

2.1 模擬方案

通過(guò)FLAC3D軟件模擬分析1 m、2 m、3 m棚距時(shí)3103運(yùn)輸巷圍巖變形、塑性區(qū)等分布情況，并通過(guò)綜合分析確定最佳棚距，在滿(mǎn)足圍巖控制基礎(chǔ)上盡量降低補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)工作量。構(gòu)建的模擬模型長(zhǎng)、寬、高分別為150 m、50 m、80 m，具體頂?shù)装寮懊簩訋r性參數(shù)見(jiàn)表2.

表2 模擬巖層參數(shù)

2.2 模擬結(jié)果分析

2.2.1 運(yùn)輸巷圍巖變形量分析

3103運(yùn)輸巷原支護(hù)方案、補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案(棚距1～3 m)等情況下圍巖變形量，具體變形量模擬結(jié)果見(jiàn)圖1.

圖1 巷道變形量模擬結(jié)果

從圖1看出，3103運(yùn)輸巷采用原支護(hù)方案時(shí)，巷道圍巖變形量整體較大，其中監(jiān)測(cè)得到頂板下沉量、左幫及右?guī)褪諗苛糠謩e為256 mm、58 mm、39 mm；對(duì)3103運(yùn)輸巷進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后，圍巖變形量較大問(wèn)題得以明顯改善，特別是頂板下沉量明顯降低。頂板架棚棚距為1 m、2 m、3 m時(shí)頂板下沉量最大值分別為45 mm、52 mm、104 mm，頂板下沉量較原支護(hù)方案分別降低約80%、76%、52%.補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后運(yùn)輸巷頂板下沉量均在安全范圍內(nèi)，但棚距為1 m及2 m時(shí)頂板下沉量會(huì)明顯小于3 m棚距，1 m及2 m棚距時(shí)頂板支護(hù)強(qiáng)度更高，可更好的維持巷道頂板圍巖穩(wěn)定。

2.2.2 圍巖塑性區(qū)分布

模擬得到3103運(yùn)輸巷在原支護(hù)方案、補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案(棚距1～3 m)等情況下的塑性區(qū)分布情況見(jiàn)圖2.

從圖2看出，3103運(yùn)輸巷采用原支護(hù)方案時(shí)頂板塑性區(qū)分布范圍較大且頂板出現(xiàn)較為明顯的彎曲下沉情況；對(duì)頂板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)后，頂板塑性區(qū)分布范圍均明顯降低，棚距1 m、2 m及3 m時(shí)頂板塑性區(qū)分布范圍相差不大，表明采取的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)技術(shù)可滿(mǎn)足3103運(yùn)輸巷頂板控制需要。

圖2 圍巖塑性區(qū)分布模擬結(jié)果

采用FLAC3D對(duì)3103運(yùn)輸巷圍巖變形、塑性區(qū)分布分布情況等進(jìn)行分析，采用單體+工字鋼架棚方式對(duì)巷道頂板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固后，頂板下沉量過(guò)大問(wèn)題得以較好解決。棚距1 m、2 m時(shí)頂板下沉量控制效果會(huì)明顯優(yōu)于3 m棚距，但是棚距1～3 m時(shí)圍巖塑性區(qū)分布等類(lèi)似。棚距1 m、2 m時(shí)頂板變形控制效果接近，但是1 m棚距時(shí)需要耗費(fèi)更多的人力、物力等資源，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)需要以及補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)經(jīng)濟(jì)效益等，決定巷道頂板架棚棚距為2 m.

3 圍巖支護(hù)方案確定及支護(hù)效果分析

3.1 支護(hù)方案

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得知，3103運(yùn)輸巷在3#上煤層采空區(qū)(保護(hù)煤柱)下掘進(jìn)完成后，在巷道原有錨桿+金屬網(wǎng)支護(hù)工藝基礎(chǔ)上，需采用單體+工字鋼方式對(duì)頂板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，方案實(shí)現(xiàn)巷道圍巖變形有效控制。頂板補(bǔ)強(qiáng)用架棚棚距統(tǒng)一為2 m，具體巷道支護(hù)斷面見(jiàn)圖3.架棚采用11#工字鋼，單體型號(hào)為DW28-250/100.

圖3 3103運(yùn)輸巷支護(hù)斷面(mm)

3.2 支護(hù)效果

對(duì)3103運(yùn)輸巷進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固后，對(duì)圍巖變現(xiàn)情況進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)圍巖支護(hù)完成60～90 d后圍巖變形基本趨于穩(wěn)定，現(xiàn)場(chǎng)布置的3個(gè)測(cè)站圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3.從監(jiān)測(cè)結(jié)果看出，3103運(yùn)輸巷采用錨矸+鋼筋梁+錨網(wǎng)+架棚(補(bǔ)強(qiáng)支護(hù))后，巷道頂板下沉量、巷幫變形量均在允許范圍內(nèi)，其中頂板最大下沉量、兩幫最大收斂量分別為59.7 mm、45.6 mm，采用的圍巖支護(hù)方案可滿(mǎn)足采空區(qū)下巷道圍巖控制需要。

表3 3103運(yùn)輸巷圍巖變形監(jiān)測(cè)量

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 3103運(yùn)輸巷位于3#上煤層采空區(qū)下，巷道在上覆采空區(qū)保護(hù)煤柱下掘進(jìn)時(shí)會(huì)遇到應(yīng)力增高區(qū)，同時(shí)受到3#上煤層開(kāi)采導(dǎo)致3#煤層頂板巖體裂隙較為發(fā)育。3103運(yùn)輸巷掘進(jìn)采用的錨桿+錨網(wǎng)+鋼筋梁方式不足以滿(mǎn)足巷道圍巖控制需要，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)表現(xiàn)出頂板下沉量大問(wèn)題，同時(shí)由于頂板裂隙發(fā)育存在有垮頂風(fēng)險(xiǎn)。為確保3103運(yùn)輸巷頂板穩(wěn)定，提出采用單體+工字鋼方式對(duì)頂板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。

2) 通過(guò)FLAC3D軟件對(duì)巷道原支護(hù)方案以及架棚補(bǔ)強(qiáng)(棚距1 m、2 m及3 m)時(shí)圍巖變形、塑性區(qū)分布進(jìn)行分析，并結(jié)合鄰近礦井巷道支護(hù)設(shè)計(jì)以及補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)經(jīng)濟(jì)性，最終確定補(bǔ)強(qiáng)加固棚距為2 m.架棚用DW28-250/100單體+11#工字鋼。

3) 3103運(yùn)輸巷補(bǔ)強(qiáng)加固后，對(duì)加固段圍巖變形進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)支護(hù)完成后60～90 d圍巖變形即趨于穩(wěn)定，巷道頂板下沉量及巷幫收斂量均在安全范圍內(nèi)，采用的支護(hù)方案可滿(mǎn)足采空區(qū)下巷道圍巖控制及后續(xù)使用需要。