極近距離煤層采空區(qū)下回采巷道支護(hù)技術(shù)探析

郭瑞猛

（太原正越工程設(shè)計有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

目前，在我國煤礦開采的過程中，極近距離的煤炭資源占據(jù)了相當(dāng)大的比例。在進(jìn)行極近距離煤層開采作業(yè)時，底板的破壞較大，主要受上煤層的采動影響，所以下煤層的開采時需要加強(qiáng)其頂板的支護(hù)，同時在上部煤層開采完成后，遺留煤柱底會產(chǎn)生應(yīng)力集中的問題，為確保工作面的安全回采，需要對下煤層回采巷道的位置進(jìn)行科學(xué)合理布置，以及確定相應(yīng)的圍巖支護(hù)方式。目前，國內(nèi)專家學(xué)者在該方面進(jìn)行了大量研究并取得了一系列技術(shù)研究成果[1-4]。以山西某礦極近距離煤層采空區(qū)下12 號煤層開采為工程背景，綜合運用理論分析與數(shù)值計算的方法，研究了采空區(qū)下11102 工作面回采巷道的布設(shè)位置和支護(hù)方式，實現(xiàn)了煤層工作面的安全高效回采。

1 工程概況

山西某礦目前開采12 號煤層，地面標(biāo)高995～1150 m，底板標(biāo)高790～798 m，埋深200～326 m。煤層傾角3°～14°，平均傾角為8°。11 號煤層厚度為1.43～2.2 m，平均1.58 m。11 號煤直接頂為含鈣泥巖，平均厚度3.1 m，基本頂為泥質(zhì)粉砂巖，平均厚度4.3 m。11 號煤層所有開采工作面已經(jīng)全部開采完成，下一步將進(jìn)行12 號煤層的開采。為更好地把握回采工作面區(qū)域煤層和層間距賦存情況，在11102 兩巷進(jìn)行了底板鉆孔探測，11102 運輸順槽下層間距為0.75～5.2 m，大部分巷段層間距小于2.2 m，該處12號煤分層嚴(yán)重，夾矸厚度超過2.25 m，12 號上煤層厚度為2～2.75 m。11102 回風(fēng)順槽下層間距為3～13 m，其中自巷口往里500 m 的巷段層間距厚度為3 m，500～900 m 段層間距7.5～13 m，12 號煤厚度為4.2～5 m。11102 回采工作面頂板主要為泥巖，局部區(qū)域有部分砂巖，直接底為泥巖，厚度約為1.2 m，老底為S2 砂巖，平均厚度為25.3 m。11 號煤層與12 號煤層之間的平均間距為3.64 m，屬于極近距離煤層的范疇。由于11 號煤層開采的影響，使得采空區(qū)圍巖應(yīng)力發(fā)生重新分布，其對12 號煤層回采巷道的布置產(chǎn)生很大的影響，同時，12 號煤層頂板以泥巖為主，巖層穩(wěn)定性較差，對開采巷道的支護(hù)設(shè)計提出了更高的要求。所以需要結(jié)合12 號煤層的地質(zhì)資料，確定回采巷道科學(xué)、合理的布置方式以及支護(hù)技術(shù)，以期為礦井的安全高效生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

2 下部圍巖穩(wěn)定性分析

2.1 回采巷道位置的確定

12 號煤層下煤層回采巷道布置位置，選擇在上煤層采空區(qū)遺留煤柱形成的應(yīng)力增高區(qū)范圍之外，在應(yīng)力降低區(qū)布置12 號煤層下煤層回采巷道，優(yōu)化巷道布置減少后期對巷道的維護(hù)成本[5-6]?，F(xiàn)場勘探發(fā)現(xiàn)，12 號煤層采空區(qū)遺留煤柱形成的高應(yīng)力區(qū)，位置在煤柱中心下方，距煤柱中心水平距離10～20 m 為影響過渡區(qū)，更遠(yuǎn)的采空區(qū)為應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)，所以在選擇12 號煤層回采巷道的位置時應(yīng)充分考慮應(yīng)力分布，分析研究選擇在距11 號煤層采空區(qū)遺留煤柱中心水平距離10 m 之外的應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)內(nèi)。

2.2 回采巷道變形破壞分析

根據(jù)山西某礦11 號煤層及12 號煤層工程地質(zhì)條件，采用FLAC3D 數(shù)值計算系統(tǒng)，建立數(shù)值計算模型，模擬分析在上部11 號煤層開采的影響下，12 號煤層回采巷道圍巖變形特征，綜合考慮11102 回采工作面各方面因素，模型尺寸為468 m×50 m×40 m，斷面為寬×高=5 m×3.5 m 的矩形模型。數(shù)值模型劃分為32320 個單元，35516 個節(jié)點。模型設(shè)定四周邊界限定水平方向位移，底部限定豎直方向位移，在模型頂部施加等效于覆巖重力的均布載荷（2.5×104×250=6.25 MPa），下部回采巷道變形破壞特征如圖1所示。

由圖1 可以看出，在上部11 號煤層開采的影響下，12 號煤層回采巷道圍巖變形破壞的范圍較大，且以出現(xiàn)在頂板肩角的剪切破壞、頂板上部及表面的拉伸破壞為主，同時可以看出，巷道頂板出現(xiàn)較大下沉量，在產(chǎn)生下沉量的同時還有部分橫向位移的出現(xiàn)。

3 支護(hù)方案設(shè)計

3.1 支護(hù)方式

12101 工作面為12 號煤層的第一個回采工作面，其斷面尺寸設(shè)計為矩形，尺寸為4.5 m×2.5 m，巷道支護(hù)方式采用“全長樹脂錨固+工字鋼+單體柱”聯(lián)合支護(hù)。

3.1.1 頂板支護(hù)

錨桿采用直徑20 mm、長度為2000 mm 的阻尼式螺帽型左旋無縱筋螺紋鋼筋錨桿，錨桿排距750 mm，每排6 根錨桿，錨桿間距800 mm，中間4 根錨桿垂直頂板打設(shè)，兩邊處錨桿與豎直方向成25°夾角打設(shè)。同時在巷道的頂板打設(shè)2 根型號為DW28-250/100的單體液壓支柱，其間距為3500 mm，以及1 根長度為4 m 的11 型號的鋼梁，其與巷道兩幫之間的距離為200 mm，排距設(shè)計為3000 mm，支護(hù)過程中可以根據(jù)圍巖情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

網(wǎng)片：采用金屬網(wǎng)護(hù)表，網(wǎng)片網(wǎng)格為50 mm×50 mm的10 號鉛絲編織，規(guī)格5.4 m×1.2 m，采用雙股16號鐵絲孔孔相連捆扎一道，扭結(jié)不少于3 圈，聯(lián)網(wǎng)間距200 mm；巷道頂板每隔100 m 安裝1 片同規(guī)格的塑料網(wǎng)替換原金屬網(wǎng)。

3.1.2 兩幫支護(hù)

采用直徑為18 mm 的阻尼式螺帽型單向左旋式魚尾紋鋼錨桿，其長度為1.8 m，錨桿間排距為0.75 m、0.75 m，共打設(shè)4 根錨桿。運輸順槽和軌道順槽靠工作面?zhèn)葞筒捎弥睆綖?8 mm、長度為1.8 m 的玻璃錨桿，其間排拒和非工作面幫相同，并采用塑料鋼編制的方格網(wǎng)護(hù)幫，兩幫和頂板交界處的錨桿與水平方向向上傾斜25°。

錨桿采用直徑18 mm、長度為1800 mm 的阻尼式螺帽型左旋魚尾紋鋼錨桿，錨桿排距750 mm，每排4 根錨桿，錨桿間距750 mm，4 根錨桿垂直兩幫布置。

鐵絲網(wǎng)網(wǎng)片：采用鐵絲網(wǎng)護(hù)表，鐵絲網(wǎng)網(wǎng)格設(shè)置為50 mm×50 mm，采用10 號鐵絲編織，規(guī)格1.2 m×3.4 m，選用16 號鐵絲雙股相連捆扎為一道，扭結(jié)3圈以上，聯(lián)網(wǎng)間距設(shè)定為200 mm；11102 工作面回采巷道頂板隔100 m 安裝1 片同規(guī)格的塑料網(wǎng)。

3.2 數(shù)值模擬驗證

對12101 工作面回采巷道采用確定的全長樹脂錨固+工字鋼+單體柱聯(lián)合支護(hù)方案，通過進(jìn)行數(shù)值模型計算分析，可以得出11102 工作面回采巷道塑形區(qū)分布，回采巷道圍巖應(yīng)力分布，如圖2 所示。從圖2可以看出，采用聯(lián)合支護(hù)方案后，巷道圍巖塑性區(qū)分布范圍較小，工字鋼在受力作用下沒有發(fā)生變形破壞，圍巖承載能力較好，說明在上部11 號煤層開采的影響下情況下，采用錨桿、工字鋼以及單體柱的聯(lián)合支護(hù)方案，可對12 號煤層回采巷道圍巖變形破壞進(jìn)行有效控制，也進(jìn)一步說明了支護(hù)參數(shù)的科學(xué)合理性。

圖2 巷道圍巖變形破壞及受力特征

4 工業(yè)性試驗

將全長樹脂錨固+工字鋼+單體柱聯(lián)合支護(hù)技術(shù)應(yīng)用于11102 工作面回采巷道，并在巷道掘進(jìn)施工過程中采用頂?shù)装鍎討B(tài)儀，監(jiān)測巷道頂?shù)装寮皟蓭偷膰鷰r動態(tài)變形狀態(tài)及巷道變形曲線如圖3 所示。

圖3 巷道圍巖監(jiān)測變化曲線

由圖3 可以看出，在11102 工作面回采巷道掘進(jìn)過程中，當(dāng)巷道頂?shù)装寮皟蓭偷谋O(jiān)測點與工作面之間的距離大于70 m 時，圍巖變形量趨于穩(wěn)定值不再發(fā)生變化，在巷道頂?shù)装寮皟蓭偷谋O(jiān)測點與工作面之間的距離小于70 m 的范圍內(nèi)，巷道變形量與距工作面的水平距離成非線性負(fù)相關(guān)，巷道頂?shù)装遄畲笙鲁亮考s為95.6 mm，巷道兩幫圍巖變形最大約為194.3 mm，變形量處于圍巖變形設(shè)計允許的范圍內(nèi)，滿足礦井安全生產(chǎn)的需要，通過技術(shù)參數(shù)計算，表明了采空區(qū)下12101 工作面回采巷道采用全長樹脂錨固+工字鋼+單體柱聯(lián)合支護(hù)具有合理可靠性。

5 結(jié)論

以山西某礦12 號煤層的地質(zhì)條件為工程背景，采用理論分析與數(shù)值計算相結(jié)合的方法，對極近距離采空區(qū)下回采巷道布置及圍巖研究，得出以下結(jié)論：

1）山西某礦12 號煤層回采巷道布置在與距離該礦11 號煤層采空區(qū)留設(shè)煤柱中心水平10 m 外，圍巖應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)。

2）12 號煤層回采巷道圍巖變形破壞主要以出現(xiàn)在頂板肩角的剪切破壞、頂板上部及表面的拉伸破壞為主，通過數(shù)值計算驗證了全長樹脂錨固+工字鋼+單體柱聯(lián)合支護(hù)參數(shù)的合理性，現(xiàn)場實踐結(jié)果表明，采用該聯(lián)合支護(hù)方案后，采空區(qū)下巷道頂?shù)装遄畲笙鲁亮考s為95.6 mm，巷道兩幫圍巖變形最大約為194.3 mm，均滿足井下安全生產(chǎn)的需要。