近距離下位煤層巷道位置及支護(hù)方案應(yīng)用研究

李海鵬

（中國(guó)平煤神馬集團(tuán)十二礦，河南 平頂山 467000）

1 工程概況

平煤股份十二礦己16-17-31020 回風(fēng)巷為己16-17-31020 采面的回風(fēng)系統(tǒng)，巷道位于三水平西翼上部，南鄰己16-17-17200 采空區(qū)，北鄰己15-31040 采空區(qū)，東鄰己七二期四條下山，西鄰十礦、十二礦井田邊界。巷道上部己15-31020采空區(qū)及己15-31040采空區(qū)，與己15煤層層間距8～12 m，如圖1。己16-17煤層平均厚度1.9 m，頂?shù)装鍘r性見(jiàn)表1。己16-17-31020 回風(fēng)巷位于己15 煤層采空區(qū)下方，埋深948 m，采用直角梯形斷面，巷道寬度5.4 m。為提高其圍巖穩(wěn)定性，需對(duì)其與上覆采空區(qū)區(qū)段煤柱空間合理位置及支護(hù)方案展開(kāi)研究。

2 內(nèi)錯(cuò)巷道圍巖變形特征

己16-17-31041 運(yùn)輸巷位于己15-31010 工作面采空區(qū)下方，與己15 煤層層間距8～12 m，開(kāi)采技術(shù)條件、地質(zhì)條件與己16-17-31020 回風(fēng)巷基本一致，內(nèi)錯(cuò)區(qū)段煤柱10 m 布置，直角梯形斷面，低幫高度約2.5 m，高幫高度約3.5 m，采用錨網(wǎng)索支護(hù)，支護(hù)詳情如圖2（a），掘巷期間表面變形曲線如圖2（b）。成巷12～44 d 期間圍巖變形速度較快，成巷48 d 后圍巖變形減緩，頂?shù)装寮皟蓭鸵平糠謩e達(dá)到241 mm、432 mm。分析可知，由于巷道埋深大，上覆采空區(qū)影響下頂板破碎嚴(yán)重，加之上方區(qū)段煤柱應(yīng)力集中的影響，己16-17-31041 運(yùn)輸巷圍巖破碎、地應(yīng)力大，導(dǎo)致巷道圍巖出現(xiàn)較嚴(yán)重的變形破壞，且多處錨桿出現(xiàn)破斷、脫錨等現(xiàn)象，巷道與上覆采空區(qū)遺留煤柱的空間位置及支護(hù)設(shè)計(jì)不合理，無(wú)法控制圍巖的變形失穩(wěn)。

圖2 己16-17-31041 運(yùn)輸巷支護(hù)及變形特征

3 采空區(qū)下回采巷道合理位置分析

下位煤層工作面回采巷道布置方式分為內(nèi)錯(cuò)式、重疊式及外錯(cuò)式[1-2]。內(nèi)錯(cuò)式布置時(shí)，工作面長(zhǎng)度較短，煤柱寬度過(guò)大、回采率低、資源浪費(fèi)。結(jié)合己16-17-31041 運(yùn)輸巷工程實(shí)踐教訓(xùn)，該布置方式不利于下位回采巷道的支護(hù)，因此己16-17-31020 回采面巷道不考慮采用內(nèi)錯(cuò)式布置方式。采用重疊式布置方式時(shí)，下位煤層與上位煤層回采巷道豎直方向上重疊布置，下位煤層回采巷道應(yīng)力集中明顯，己16-17 煤埋深大、回采巷道斷面大，高應(yīng)力作用下易引起圍巖的過(guò)度變形失穩(wěn)。采用外錯(cuò)式布置方式時(shí)，下位煤層回采工作面傾斜長(zhǎng)度較大，有利于提高工作面回采率。為避免遺留煤柱對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定造成嚴(yán)重影響，需確定回采巷道與上位煤層區(qū)段煤柱的合理距離。己15 煤層采空區(qū)遺留區(qū)段煤柱寬度為7 m，結(jié)合礦井實(shí)際條件，設(shè)計(jì)己16-17-31020 工作面與上覆己15-31020 采空區(qū)采用外錯(cuò)式布置方式。為避免上覆遺留煤柱影響下層回采巷道圍巖穩(wěn)定，己16-17-31020 工作面兩側(cè)回采巷道應(yīng)布置在己15 煤層遺留煤柱底板應(yīng)力影響區(qū)域之外，與己15 煤層回采巷道的水平距離最小值可通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算[3]：

式中：l為煤層間距，取8～12 m；δ為上覆煤層遺留煤柱壓力影響角，為40°；LB為上位煤層開(kāi)采對(duì)采空區(qū)下巖層的水平破壞范圍，基于滑移線場(chǎng)理論計(jì)算得到其數(shù)值為10.6 m。由式（1）計(jì)算可得Xmin變化范圍為20.1～24.88 m。由此可知，己16-17-31020 回風(fēng)巷與上覆己15 煤層采空區(qū)區(qū)段煤柱水平距離應(yīng)不小于24.88 m，設(shè)計(jì)己16-17-31020 工作面運(yùn)輸巷及回風(fēng)巷與上覆煤柱邊緣的水平距離為25 m。

4 回采巷道錨網(wǎng)索支護(hù)模擬分析

己16-17-31020 回風(fēng)巷外錯(cuò)上部己15 煤層區(qū)段煤柱25 m 布置，巷道正上方對(duì)應(yīng)己15 煤層采空區(qū)，圍巖較破碎。為考察巷道布置空間層位的合理性及支護(hù)的效果，運(yùn)用FLAC3D計(jì)算機(jī)模擬分析軟件建立圖3 所示的三維模型[4]，分析不同支護(hù)方案條件下圍巖的變形破壞特征。以己16-17-31020 運(yùn)輸巷的工程實(shí)際為原型，己15 煤層與己16-17 煤層間巖層厚度為8 m，模型幾何尺寸長(zhǎng)、寬、高=500 m、340 m、110 m，采用庫(kù)倫—摩爾本構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算。己15煤層厚度為1.5 m，回采工作面間區(qū)段煤柱寬度為7 m，己16-17 煤層厚度1.9 m，模擬時(shí)首先進(jìn)行上部己15 煤層回采工作面的開(kāi)挖，計(jì)算平衡后進(jìn)行下部己16-17 回風(fēng)巷的開(kāi)挖與支護(hù)。結(jié)合平煤十二礦回采巷道原有支護(hù)方案，初步設(shè)計(jì)三種巷道支護(hù)方案，所用錨桿、錨索規(guī)格相同，頂錨桿Φ22 mm×2600 mm，錨索Φ22 mm×6500 mm，幫錨桿Φ20 mm×2400 mm。方案一：頂錨桿間排距700 mm×800 mm，錨索間排距1400 mm×1600 mm，幫錨桿750 mm×800 mm；方案二：較方案一將兩幫錨桿排距增大為1000 mm，頂板錨索間距減小為1200 mm；方案三：較方案一將頂板錨索間距減小為1200 mm。通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算得到上述三種支護(hù)方案條件下己16-17 回風(fēng)巷外錯(cuò)25 m 掘進(jìn)時(shí)巷道表面最大變形量見(jiàn)表2。分析可知，不同支護(hù)方案條件下，掘巷階段巷道表面變形量存在較大的差異?？傮w而言，三個(gè)支護(hù)方案條件下，巷道表面變形量均在設(shè)計(jì)允許的合理范圍內(nèi)。由此說(shuō)明，將己16-17 回風(fēng)巷外錯(cuò)上覆采空區(qū)遺留煤柱25 m 布置較合理，有利于圍巖穩(wěn)定。支護(hù)方案一條件下，巷道表面變形量相對(duì)較大，方案三條件下巷道表面變形量最小。結(jié)合礦井實(shí)際工程地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)采用支護(hù)方案三來(lái)控制巷道圍巖的變形。

表2 巷道圍巖表面位移變化特征 mm

圖3 數(shù)值計(jì)算模型

5 己16-17-31020 回風(fēng)巷支護(hù)及效果分析

結(jié)合上述理論分析計(jì)算及數(shù)值模擬研究結(jié)果，將己16-17 回風(fēng)巷布置在己15-31040 采空區(qū)下方，與遺留煤柱邊緣的平距為25 m，沿己16-17 煤層頂板掘進(jìn)，具體支護(hù)方案如圖4（a）。在己16-17 回風(fēng)巷掘巷階段布設(shè)圍巖變形量及頂板離層量監(jiān)測(cè)站，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4（b）、（c）。監(jiān)測(cè)的前24 d 內(nèi)巷道表面變形量增長(zhǎng)迅速，在24～42 d，巷道表面變形速度逐漸減小為零，在42～60 d，頂?shù)装?、兩幫移近量不再變化，頂?shù)装逡平糠€(wěn)定在56 mm，兩幫移近量穩(wěn)定在81 mm，表面變形量微小，滿足工程實(shí)際的要求。根據(jù)頂板離層指示儀測(cè)量數(shù)據(jù)可知，掘巷階段頂板巖層發(fā)生輕微的離層，深部與淺部基點(diǎn)離層值存在微小的差值，表明頂板整體性和穩(wěn)定性良好。綜上可得，己16-17 回風(fēng)巷外錯(cuò)25 m 時(shí)巷道得到了較好控制。

圖4 巷道支護(hù)及礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果

6 結(jié)語(yǔ)

以平煤十二礦己16-17-31020回風(fēng)巷為工程背景，基于理論分析計(jì)算結(jié)果并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，確定下位煤層回采巷道外錯(cuò)上區(qū)段遺留煤柱25 m 布置，通過(guò)數(shù)值模擬分析確定最佳的支護(hù)方案參數(shù)，驗(yàn)證了巷道布置方位的合理性，己16-17-31020 回風(fēng)巷掘巷階段圍巖控制效果良好。