小峪煤礦采空區(qū)下巷道合理內(nèi)錯(cuò)距及圍巖控制技術(shù)研究

康保福

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)朔煤小峪煤業(yè)有限公司，山西 朔州 038300）

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

小峪煤礦8208 工作面位于402 盤(pán)區(qū)，主采22#煤層平均傾角為3°、走向127°、傾向北東。煤層平均厚度10.75 m，結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，含三層夾矸，結(jié)構(gòu)為煤4.2 m、泥巖0.25 m、煤2 m、頁(yè)巖1 m、煤3.3 m。頂?shù)装迩闆r見(jiàn)表1。

表1 煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)

22#煤層上覆19#煤層，層間距3～12 m。19#煤層平均厚度為5.7 m，其頂板為碳質(zhì)泥巖，底板為高嶺巖。

1.2 巷道概況

目前正在掘進(jìn)的2208 巷為8208 回采工作面進(jìn)風(fēng)兼運(yùn)煤和運(yùn)料巷道，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度1872 m，矩形斷面，掘?qū)?.5 m、高3.4 m，掘進(jìn)斷面積18.7 m2。巷道沿22#煤層底板掘進(jìn)，北部為實(shí)煤區(qū)，南部為實(shí)煤區(qū)，西部為402 盤(pán)區(qū)皮帶巷，東部為礦界，上覆為19#層4808 工作面采空區(qū)。為保證采空區(qū)下2208 巷的正常掘進(jìn)，需對(duì)巷道的合理位置選擇及支護(hù)方案進(jìn)行研究。

2 采空區(qū)下巷道合理位置

2.1 模型建立及方案

下位煤層巷道的穩(wěn)定性主要與煤層間距及內(nèi)錯(cuò)距離相關(guān)，為確定出巷道合理的位置，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，根據(jù)19#煤層、22#煤層及2208 巷的實(shí)際賦存條件建立模型，模型尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=300 m×200 m×50 m。為模擬上覆巖層的壓力，在模型頂部施加5.7 MPa 均布載荷，通過(guò)位移邊界條件對(duì)模型四周和底部進(jìn)行約束。為使模擬結(jié)果準(zhǔn)確度更高，采用fill 命令模擬垮落矸石充填采空區(qū)。模擬時(shí)，模型中煤巖體的受力屈服破壞統(tǒng)一遵循Mohr-Coulomb 破壞準(zhǔn)則，各煤巖體的物理力學(xué)參數(shù)按表2 進(jìn)行賦參。

表2 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

模擬中，煤層間距分別取3 m、5 m、8 m、10 m 及12 m，巷道與采空區(qū)煤柱的內(nèi)錯(cuò)距離分別為5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m 及35 m，將兩種因素組合，共計(jì)35 組模擬方案。

2.2 模擬結(jié)果分析

圖1 為不同煤層間距及內(nèi)錯(cuò)距離下，上位19#煤層開(kāi)采后2208 巷的圍巖變形規(guī)律。

圖1 不同煤層間距及內(nèi)錯(cuò)距離下巷道變形規(guī)律

由圖1 可知：

1）巷道圍巖的變形量隨著煤層間距的增大而逐漸減小，其中巷道頂?shù)装逡平康淖兓茸蠲黠@；煤層間距為3 m 及5 m 時(shí)，圍巖變形量較大，且隨著內(nèi)錯(cuò)距離增加減小幅度明顯；當(dāng)煤層間距大于8 m 時(shí)，上位煤層開(kāi)采對(duì)于下位巷道的擾動(dòng)作用明顯降低；不同煤層間距下，巷道圍巖變形量均隨著內(nèi)錯(cuò)距離的增加而逐漸減小，并在30 m 內(nèi)錯(cuò)距離時(shí)趨于穩(wěn)定。

2）隨著煤層間距的增大，內(nèi)錯(cuò)距離對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響逐漸減弱，即煤層間距的增大使下位巷道受采動(dòng)的影響降低。以煤層間距為5 m 時(shí)為例，內(nèi)錯(cuò)距離為5 m 時(shí)，巷道頂?shù)装逡七M(jìn)量為390 mm，而內(nèi)錯(cuò)距為20 m 及30 m 時(shí)的頂?shù)装逡七M(jìn)量分別為294 mm 及236 mm，較5 m 內(nèi)錯(cuò)距分別降低了22.05%、39.49%；5 m 煤層間距下，內(nèi)錯(cuò)距離為5 m 時(shí)，巷道兩幫移進(jìn)量為920 mm，而內(nèi)錯(cuò)距為20 m 及30 m 時(shí)的兩幫移進(jìn)量分別為392 mm 及261 mm，較5 m 內(nèi)錯(cuò)距分別降低了57.39%、71.63%。

由模擬結(jié)果可以看出，當(dāng)巷道內(nèi)錯(cuò)距離小于30 m 時(shí)，適當(dāng)提高內(nèi)錯(cuò)距離可以顯著降低圍巖的變形量，但當(dāng)內(nèi)錯(cuò)距離大于30 m 時(shí)，提高巷道內(nèi)錯(cuò)距離對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響不再明顯，反而會(huì)影響后續(xù)工作面的布置。因此，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件及類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)，確定出2208 巷與上位19#煤層采空區(qū)煤柱的合理內(nèi)錯(cuò)距離為30 m。

3 采空區(qū)下巷道支護(hù)方案

由于巷道布置于近距離煤層采空區(qū)下，圍巖不僅受掘進(jìn)時(shí)的擾動(dòng)，還受上位煤層及本煤層的采動(dòng)影響，應(yīng)力集中程度較高，導(dǎo)致圍巖較破碎、承載力差，需及時(shí)支護(hù)并適當(dāng)增大支護(hù)強(qiáng)度[1-4]。

1）巷道頂板支護(hù)

頂錨桿采用直徑20 mm、長(zhǎng)度2200 mm 的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，屈服強(qiáng)度大于400 MPa，每排布置6 根，間排距均為1000 mm，靠近巷道兩幫的錨桿距巷幫250 mm 處施工，與水平線夾角為75°，其余錨桿均垂直頂板施工。錨桿托盤(pán)采用高強(qiáng)度蝶形托盤(pán)，長(zhǎng)、寬均為110 mm，厚10 mm。另外，為防止碎矸掉落，每排布置一根長(zhǎng)5200 mm、寬220 mm 的W 型鋼帶，并被直徑為80 mm 的金屬網(wǎng)進(jìn)行護(hù)表。

頂錨索采用直徑17.8 mm、長(zhǎng)度5300 mm 的7股鋼絞線制成，每排布置4 根，間距為1300 mm，排距為2000 mm，均垂直頂板施工。巷道兩肩窩處布置角錨索，其直徑為17.8 mm、長(zhǎng)度為4300 mm，與水平線的夾角為45°，排距為2000 mm。每排錨索吊長(zhǎng)度為4400 mm、寬度為330 mm 的JW型高強(qiáng)度鋼帶，并背金屬網(wǎng)進(jìn)行護(hù)表；角錨索吊短節(jié)的11#礦用工字鋼進(jìn)行護(hù)表，長(zhǎng)度為300 mm。錨索托盤(pán)均為220 mm 長(zhǎng)、12 mm 厚的異形托盤(pán)。

2）兩幫支護(hù)

幫錨桿采用直徑18 mm、長(zhǎng)度1800 mm 的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿間距為900 mm，排距為1000 mm。最上排幫錨桿在距巷道頂板300 mm 處施工，并向上傾斜15°；最下排幫錨桿在距巷道底板400 mm 處施工，并向下傾斜15°。錨桿托盤(pán)采用寬為110 mm、厚10 mm 的平托盤(pán)，中間的2 排錨桿與直徑17.8 mm、長(zhǎng)度4300 mm 的錨索交替布置，幫錨索采用寬250 mm、厚16 mm 的鋼托盤(pán)。每排幫錨桿均配套長(zhǎng)450 mm、寬220 mm、厚3 mm 的W 型鋼護(hù)板及80 mm×80 mm 的菱形金屬網(wǎng)進(jìn)行護(hù)表支護(hù)。

3）錨固長(zhǎng)度及預(yù)緊力

頂錨桿采用兩支樹(shù)脂藥卷進(jìn)行錨固，預(yù)緊扭矩不低于250 N·m，保證錨固力不小于125 kN；幫錨桿采用一支樹(shù)脂藥卷進(jìn)行錨固，預(yù)緊扭矩不低于150 N·m，保證錨固力不小于85 kN；頂錨索采用三支樹(shù)脂藥卷進(jìn)行錨固，錨索預(yù)應(yīng)力不低于210 kN，保證其錨固力不小于320 kN。

巷道支護(hù)如圖2。

圖2 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)圖（mm）

4 應(yīng)用效果

為分析2208 巷布置方式及支護(hù)方案的應(yīng)用效果，在巷道內(nèi)布置監(jiān)測(cè)站，采用十字布點(diǎn)法監(jiān)測(cè)巷道在掘進(jìn)期間圍巖變形量。監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3。

圖3 掘進(jìn)期間圍巖變形監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，在掘進(jìn)支護(hù)初期變形速度較快，并于15 d 后逐漸趨于平穩(wěn)，其中，巷道頂?shù)装遄畲笠平繛?00 mm，兩幫最大移近量為260 mm。巷道圍巖整體的變形量均在允許范圍內(nèi)，保證了礦井的安全高效生產(chǎn)。

5 結(jié)論

1）通過(guò)數(shù)值模擬分析了不同煤層間距及內(nèi)錯(cuò)距離對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，得出2208 巷與上位19#煤層采空區(qū)煤柱的合理內(nèi)錯(cuò)距離為30 m。

2）基于工作面實(shí)際條件，對(duì)采空區(qū)下巷道支護(hù)方案進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明：掘進(jìn)支護(hù)初期變形速度較快，并于15 d 后逐漸趨于平穩(wěn)，其中，巷道頂?shù)装遄畲笠平繛?00 mm，兩幫最大移近量為260 mm。巷道圍巖整體的變形量均在允許范圍內(nèi)，保證了礦井的安全高效生產(chǎn)。