近距離煤層采空區(qū)下孤島工作面運(yùn)輸巷支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

朱利軍

（山西汾西礦業(yè)（集團(tuán)） 有限責(zé)任公司賀西煤礦，山西 呂梁 033000）

0 引言

近距離煤層開采在目前我國煤炭開采中屬高難度開采工作，其特殊的地理構(gòu)造致使在鄰近煤層開采過程中容易受到疊加應(yīng)力場(chǎng)影響[1]。通常認(rèn)定層間距在10 m 以內(nèi)的煤層為近距離煤層，在開采時(shí)鄰近煤層頂?shù)装鍑鷰r均會(huì)發(fā)生改變，致使其發(fā)生破壞及穩(wěn)定性降低等現(xiàn)象[2-5]。另外，近距離煤層開采時(shí)，對(duì)下煤層巷道掘進(jìn)時(shí)需加強(qiáng)對(duì)瓦斯及上煤層采空區(qū)積水監(jiān)測(cè)，確保巷道安全穩(wěn)定掘進(jìn)[6]。上覆采空區(qū)遺留煤柱應(yīng)力集中現(xiàn)象會(huì)對(duì)下煤層頂板造成疊加應(yīng)力顯現(xiàn)，圍巖變形量增大，控制難度加大，據(jù)此，張弘弦[7]針對(duì)云岡近距離煤層開采設(shè)計(jì)不同層距以避免應(yīng)力集中現(xiàn)象。張曉良[8]針對(duì)現(xiàn)有近距離煤層回采巷道支護(hù)方案綜合分析，提出采用高強(qiáng)度錨桿、索及金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)方案并且成功應(yīng)用于井下。石偉等[9]針對(duì)沙坪礦分煤層巷道應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)頂板下沉、幫鼓、底鼓等現(xiàn)象，采用“錨網(wǎng)噴+鋼棚+注漿補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)”的方案，對(duì)應(yīng)力集中區(qū)補(bǔ)強(qiáng)效果明顯，巷道穩(wěn)定性增大。戴文祥等[10]針對(duì)塔山煤礦近距離煤層，研究上覆煤柱應(yīng)力集中現(xiàn)象在底板傳遞特征，提出合理煤柱寬度優(yōu)化設(shè)計(jì)，并采用“錨網(wǎng)索+鋼帶”聯(lián)合支護(hù)方式控制圍巖變形。針對(duì)近距離煤層上下分層巷道布置位置，王志強(qiáng)[11-13]等提出內(nèi)錯(cuò)、外錯(cuò)布置，避免巷道處于應(yīng)力集中區(qū)域，通過合理內(nèi)、外錯(cuò)距布置于應(yīng)力降低區(qū)，保證巷道穩(wěn)定。以上學(xué)者針對(duì)近距離煤層巷道合理布置位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過層間距、空間位置等綜合設(shè)計(jì)了較為完善的近距離煤層巷道位置布置方案。然而，合理優(yōu)化后巷道仍會(huì)處于一定的應(yīng)力擾動(dòng)范圍內(nèi)，因此需要針對(duì)合理布置后的巷道進(jìn)行支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文根據(jù)賀西煤礦近距離煤層下分層開采時(shí)，位于采空區(qū)下孤島工作面運(yùn)輸巷變形破壞，進(jìn)行支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 概況

1.1 地質(zhì)條件

賀西煤礦位于山西省河?xùn)|煤田中段，離柳礦區(qū)西南部，柳林縣城東南15 km 左右，行政區(qū)劃屬呂梁市柳林縣陳家灣鄉(xiāng)，位于陳家灣鄉(xiāng)賀家社村西部。井田東西長(zhǎng)約4.8 km，南北寬4.6 km，面積18.908 km2。

運(yùn)輸巷為矩形斷面，巷寬5.2 m，巷高3.2 m。布置于4 號(hào)煤層內(nèi)，沿頂板掘進(jìn)。運(yùn)輸巷空間位置如圖1所示。

圖1 運(yùn)輸巷空間位置示意Fig.1 Spatial location of transportation roadway

3、4 號(hào)煤層間距10 m，之間穿過砂質(zhì)泥巖、中粒砂巖，含較薄夾矸，4 號(hào)煤運(yùn)輸巷內(nèi)錯(cuò)2 倍巷寬布置于3 號(hào)煤采空區(qū)下。

1.2 巷道圍巖破壞狀況

4 號(hào)煤層在上煤層回采過程中，由于應(yīng)力重新分布，致使上煤層采空區(qū)下方煤層均被塑化壓實(shí)，在回采4 號(hào)煤層時(shí)煤層松軟破碎，巷道破壞嚴(yán)重。運(yùn)輸巷埋深約為435 m，其位于上煤層采空區(qū)下方，呈2 倍巷寬內(nèi)錯(cuò)布置，由于上煤層回采，4 號(hào)煤運(yùn)輸巷掘進(jìn)過程中掉皮、掉渣現(xiàn)象明顯，對(duì)掘進(jìn)與維護(hù)造成較大阻礙。

運(yùn)輸巷局部地區(qū)由于采空區(qū)劇烈來壓傳遞，導(dǎo)致頂板松軟破碎、錨桿索崩落，增加了維護(hù)巷道穩(wěn)定的難度。由于運(yùn)輸巷頂板為砂質(zhì)泥巖，且位于塑化煤體上方，為4 號(hào)煤直接頂，巖性較軟，在掘進(jìn)途中頂板頻發(fā)冒頂現(xiàn)象。

綜上，運(yùn)輸巷掘進(jìn)完畢且噴漿支護(hù)完畢后，局部頂板及兩幫災(zāi)害頻發(fā)，變形量呈增大趨勢(shì)。

1.3 運(yùn)輸巷原支護(hù)方式

頂錨桿采用φ22 mm×2 400 mmSMG500#高強(qiáng)度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，采用高強(qiáng)錨桿螺母M24×3，矩形布置，間距950 mm，排距1 000 mm，每排支6 根，角錨桿角度不小于75°。幫錨桿采用φ22 mm×2 400 mmSMG500#高強(qiáng)度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，采用高強(qiáng)錨桿螺母M24×3，矩形布置，間距850 mm，排距1 000 mm，每排左右兩幫各支護(hù)4 根，最上方1 根幫錨桿距頂板200 mm 處向上傾斜15°施工，中間2 根錨桿水平施工，最下方1 根幫錨桿距底板400 mm 處向下傾斜5°施工。錨索采用φ21.8 mm×6 300 mm（1×19股） 高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，間距1 200 mm、排距2 000 mm。

采用上述支護(hù)方案后，運(yùn)輸巷圍巖仍發(fā)生了較為嚴(yán)重的變形，且修護(hù)困難，對(duì)圍巖穩(wěn)定性控制效果欠佳。

2 運(yùn)輸巷破壞情況數(shù)值模擬

2.1 建立模型

根據(jù)礦井設(shè)計(jì)資料，對(duì)賀西礦3、4 號(hào)煤層及巷道進(jìn)行局部建模，模型長(zhǎng)200 m，寬5 m，高60 m，巷道斷面為矩形，巷道穿過砂質(zhì)泥巖，頂?shù)装鍨樯百|(zhì)泥巖和泥巖。模型兩邊與底部固支，上邊界施加均布載荷，施加10.32 MPa 壓應(yīng)力，側(cè)壓系數(shù)按1.2 取值，重力加速度取10 m/s2，根據(jù)賀西礦實(shí)際開采情況，模擬采空區(qū)下巷道破壞的情況，直至平衡。

2.2 初始巷道開挖分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)合數(shù)值模擬，對(duì)運(yùn)輸巷開挖后破壞情況進(jìn)行分析。

開挖巷道埋深為-410 m，垂直方向施加11.825 MPa 的均布載荷，水平方向施加14.19 MPa的均布載荷，施加重力場(chǎng)后進(jìn)行開挖分析。初始開挖后巷道垂直應(yīng)力分布如圖2所示，巷中垂直應(yīng)力監(jiān)測(cè)曲線如圖3所示，巷道圍巖塑性區(qū)破壞如圖4所示。

圖3 巷中垂直應(yīng)力監(jiān)測(cè)曲線Fig.3 Vertical stress monitoring curve in the middle of roadway

圖4 巷道圍巖塑性區(qū)破壞Fig.4 Plastic zone failure of roadway surrounding rock

由圖2可知，在4 號(hào)煤運(yùn)輸巷掘進(jìn)途中，其頂?shù)装逄幱趹?yīng)力降低區(qū)，由于掘進(jìn)受到一次擾動(dòng)，且頂板巖性較軟，因此上方采空區(qū)處應(yīng)力集中現(xiàn)象在掘進(jìn)過程中會(huì)傳遞至下方運(yùn)輸巷頂板。

圖2 運(yùn)輸巷掘進(jìn)過程垂直應(yīng)力云圖Fig.2 Vertical stress cloud chart of transportation roadway in driving process

沿巷中對(duì)實(shí)體煤幫及煤柱幫20 m 范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)其垂直應(yīng)力分布情況，可知，實(shí)體煤側(cè)垂直應(yīng)力隨深入煤體距離增大逐漸降低至接近原巖應(yīng)力區(qū)，此范圍內(nèi)煤體塑化程度較低；煤柱幫應(yīng)力呈先降低隨后增大趨勢(shì)，自上煤層運(yùn)輸巷下方與右側(cè)采空區(qū)應(yīng)力疊加后開始增大。

由圖4可知，處于塑化壓實(shí)煤體內(nèi)運(yùn)輸巷，在開挖前已處于塑化區(qū)內(nèi)，隨著巷道掘進(jìn)，塑性破壞范圍進(jìn)一步向頂板延展，直至上方采空區(qū)，且運(yùn)輸巷右?guī)退芑秶? m，左幫處于塑化煤體內(nèi)。

2.3 破壞機(jī)理

通過數(shù)值分析及結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，導(dǎo)致運(yùn)輸巷破壞的主要原因?yàn)? 點(diǎn)。①掘進(jìn)前巷道空間位置處于塑化煤體內(nèi)；②孤島工作面頂板采空區(qū)及右側(cè)鄰近采空區(qū)應(yīng)力重新分布后部分傳遞至巷道圍巖附近，導(dǎo)致圍巖強(qiáng)度受損；③4 號(hào)煤層頂板巖性較軟，加之上方煤層回采的動(dòng)壓影響，導(dǎo)致巷道在掘進(jìn)及后期支護(hù)困難。

3 巷道支護(hù)方案對(duì)比分析

3.1 初始支護(hù)方案分析

根據(jù)礦井作業(yè)規(guī)程，運(yùn)輸巷掘進(jìn)后采用常規(guī)錨桿（索） 支護(hù)，錨桿采用高強(qiáng)度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨索采用高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線。錨桿間排距950 mm×1 000 mm，錨索間排距1 200 mm×2 000 mm。由于4 號(hào)煤頂板巖性較軟，且受上覆采空區(qū)影響，當(dāng)前支護(hù)方案中錨桿索預(yù)應(yīng)力不足以抵御上覆巖層變形，無法形成完整支護(hù)結(jié)構(gòu)。

上述支護(hù)體系中，錨桿預(yù)應(yīng)力場(chǎng)范圍距離塑性區(qū)破壞邊界小，而錨索承載結(jié)構(gòu)范圍較小，僅體現(xiàn)在頂板中部，對(duì)巷道兩幫圍巖變形控制效果微弱。

綜上，針對(duì)運(yùn)輸巷原有支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其形成較完整的支護(hù)承載結(jié)構(gòu)。

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

針對(duì)賀西近距離煤層特殊環(huán)境，結(jié)合上述分析，需加強(qiáng)對(duì)兩幫支護(hù)，因此，在原有支護(hù)方案中，需要增加兩幫錨索，改變錨桿索間排距，增大支護(hù)構(gòu)件密度。優(yōu)化后支護(hù)方案如圖5所示。

圖5 優(yōu)化支護(hù)方案Fig.5 Optimized support scheme

錨桿間距改為800 mm，錨索間距改為1 200 mm，排距均為1 000 mm。頂板錨桿改為7 支，角錨桿向上傾斜35°，兩幫各3 支，角錨桿均傾斜15°，頂板錨索4 支，兩幫各2 支，幫角處傾斜15°。錨桿預(yù)緊力增大至100 kN，錨索預(yù)緊力增大至200 kN。

3.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)支護(hù)方案模擬

根據(jù)前文對(duì)巷道垂直應(yīng)力、最大主應(yīng)力場(chǎng)及錨桿、索軸力分析，初始支護(hù)方案無法與圍巖形成完善的承載結(jié)構(gòu)，改進(jìn)后支護(hù)方案如圖6所示。

圖6 優(yōu)化支護(hù)最大主應(yīng)力云圖Fig.6 Cloud chart of maximum principal stress of optimized support

（1） 優(yōu)化支護(hù)方案設(shè)計(jì)后，能夠形成較好的三級(jí)承載結(jié)構(gòu)，有效錨固深度達(dá)4 m，較初始支護(hù)方案錨固深度增大2 m。

（2） 傾斜角錨桿、索能夠有效組合成承壓拱，增大承載結(jié)構(gòu)的抗壓能力。

（3） 幫錨索及角錨索形成深層錨固區(qū)，錨固深度達(dá)7.6 m，有效控制塑化圍巖，防止塑性區(qū)深度延展。

3.4 應(yīng)用效果

優(yōu)化支護(hù)方案現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，對(duì)巷道圍巖變形量布置測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖7所示。

圖7 圍巖變形量監(jiān)測(cè)Fig.7 Deformation of surrounding rock

采用優(yōu)化后支護(hù)方案，對(duì)頂板及兩幫布置測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)圍巖變形量，其中頂板變形量從峰值220 mm逐漸減小，到50 d 降低至153 mm，隨后穩(wěn)定；兩幫自210 mm 開始降低，50 d 后降低至126 mm 趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)論

（1） 采用數(shù)值模擬軟件，對(duì)初始支護(hù)方案及優(yōu)化后方案進(jìn)行對(duì)比分析，優(yōu)化后支護(hù)方案增大了有效錨固區(qū)范圍，能夠控制巷道圍巖塑性破壞。

（2） 優(yōu)化后方案降低了兩幫塑化煤體延展，對(duì)頂板采空區(qū)傳遞的應(yīng)力集中現(xiàn)象能夠起到抑制作用；控制了巷道頂板及兩幫圍巖變形量。

（3） 角錨桿、索合理角度的設(shè)計(jì)，使得深層錨索錨固區(qū)能夠穩(wěn)定連接，在深部形成錨固區(qū)。