下分層回采巷道避開應(yīng)力集中區(qū)的布置方式

張丕林

(汾西新陽煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 孝義 032300)

1 下分層回采巷道布置類型

近距離下分層回采巷道布置形式?jīng)Q定了在整個(gè)掘進(jìn)、回采期間巷道支護(hù)的難易程度。近距離下分層回采巷道的布置方式主要有3種：重疊式布置、外錯(cuò)式布置和內(nèi)錯(cuò)式布置。內(nèi)錯(cuò)式布置方式為下部煤層回采巷道布置在上部煤層采空區(qū)下方的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，巷道壓力小，易于維護(hù)，但煤柱大，資源浪費(fèi)嚴(yán)重，回采率低；外錯(cuò)式布置方式是下部煤層回采巷道布置在上部煤層的煤柱下，巷道圍巖處于煤柱支承壓力作用區(qū)，對(duì)巷道維護(hù)不利，其優(yōu)點(diǎn)是下部煤層煤柱尺寸減小，回采率高，煤炭損失量??；重疊巷道布置方式為上下煤層回采巷道垂直布置，工作面長(zhǎng)度一定，方向易于掌握，圍巖應(yīng)力處于二者之間，3種布置方式見圖1。

近距煤層群采用分層逐層方法開采后，下部煤層回采巷道不論采用哪種布置方式，都不可避免地處于上部煤層采空區(qū)下方或者殘留煤柱形成的集中應(yīng)力的臨近區(qū)域內(nèi)，想要完全消除礦山壓力顯現(xiàn)是不可能的；然而，在掌握礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律的基礎(chǔ)上，設(shè)法避免或者減輕其危害是可能的。

2 近距離下分層回采巷道的合理布置選擇

選擇巷道的布置形式，主要考慮上部煤層采空區(qū)底板巖層的應(yīng)力分布特征以及煤柱集中應(yīng)力在下部煤層頂板的傳遞規(guī)律，以及分析出下部煤層的應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)以及應(yīng)力平衡區(qū)等。現(xiàn)代礦壓理論認(rèn)為，煤柱集中程度對(duì)巷道的礦壓顯現(xiàn)程度起決定性作用，將巷道布置在煤柱下方的低應(yīng)力區(qū)是實(shí)現(xiàn)控制巷道穩(wěn)定性的根本途徑。顯然，避開或者減輕煤柱集中應(yīng)力擴(kuò)散帶來的影響，有利于維護(hù)巷道。

上部煤層殘留煤柱形成的集中應(yīng)力主要取決于煤柱寬度、煤柱和頂?shù)装鍘r層的性質(zhì)。因此，對(duì)于下部煤層巷道的布置方位主要根據(jù)上部煤層開采后，對(duì)下部煤層頂板的破壞程度以及上部煤層開采后殘留煤柱集中應(yīng)力的擴(kuò)散范圍，二者要綜合考慮。

通過分析，提出了近距離煤層下部回采巷道合理布置形式：

1) 當(dāng)煤柱寬度L≤2X0時(shí)，煤柱整體進(jìn)入塑性狀態(tài)，煤柱的垂直應(yīng)力集中程度明顯降低。可采用外錯(cuò)式、內(nèi)錯(cuò)式和重疊式巷道布置形式。其中，L為煤柱寬度；X0為煤柱塑性區(qū)寬度，m,取3。

2) 當(dāng)上部煤柱寬度2X0≤L≤B時(shí)，雖不能形成穩(wěn)定煤柱，但是整體未完全進(jìn)入塑性狀態(tài)，可采用內(nèi)錯(cuò)式布置形式或重疊式布置形式。其中，B為穩(wěn)定煤柱的最小寬度，m，取10。

a) 重疊布置

b) 外錯(cuò)布置

c) 內(nèi)錯(cuò)布置

3) 當(dāng)上部煤層的煤柱寬度L>B時(shí)，能夠形成穩(wěn)定煤柱，其傳遞的集中載荷在底板形成較大范圍的應(yīng)力增高區(qū)。巷道布置宜采用內(nèi)錯(cuò)式布置形式。

3 高陽礦下分層工作面巷道的布置

3.1 下分層工作面臨近采掘概況

高陽礦新一采區(qū)主采9#、10#、11#煤，煤層總厚度平均9.0 m(其中，9#煤層平均厚度1.3 m，10#煤層平均厚度6.4 m，11#煤層平均厚度1.3 m)。新一采區(qū)投產(chǎn)時(shí)，布置了901、902兩個(gè)高檔普采工作面對(duì)9#煤和部分10#煤進(jìn)行開采，開采厚度平均為2 m。之后，采用一次采全高低位放頂煤采煤法對(duì)該采區(qū)內(nèi)的其余工作面進(jìn)行回采。根據(jù)生產(chǎn)組織安排，需對(duì)原兩個(gè)高檔普采工作面下方的9#、10#煤進(jìn)行開采。由于上分層開采結(jié)束已有8年之久，采空區(qū)圍巖活動(dòng)基本恢復(fù)到平穩(wěn)狀態(tài)，由工作面回采引起的礦山壓力活動(dòng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，近距離下部10#、11#煤開采基本不受9#煤采動(dòng)影響。

3.2 下分層開采工作面布置

1) 該礦102工作面運(yùn)輸巷布置在902工作面和104工作面殘留煤柱正下方(即采用了外錯(cuò)布置)，材料巷布置在采區(qū)煤柱下方(見圖2)，902工作面和104工作面間留設(shè)大約30 m的凈煤柱，殘留煤柱形成的集中應(yīng)力對(duì)新102工作面巷道布置方式和巷道圍巖壓力顯現(xiàn)產(chǎn)生主要影響，特別是對(duì)新102工作面運(yùn)輸巷巷道支護(hù)影響較大。

實(shí)際掘進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn)，運(yùn)輸巷在掘進(jìn)到150 m左右時(shí)，巷道開始變形，當(dāng)掘進(jìn)至250 m左右時(shí)，巷道內(nèi)圍巖變形嚴(yán)重，最大變形量達(dá)到500 mm。此時(shí)，再改變巷道布置形式已不可能，只有對(duì)巷道支護(hù)進(jìn)行深入研究，改變支護(hù)參數(shù)和形式，才能滿足巷道變形要求。隨即采取了變更巷道斷面并根據(jù)“三高一低”(即高強(qiáng)度、高剛度、高可靠性與低支護(hù)密度)原則進(jìn)行支護(hù)。首先，縮小斷面?；Q工作面運(yùn)輸巷和材料巷，將外錯(cuò)布置的運(yùn)輸巷道變更為材料巷，巷道掘?qū)捰? m調(diào)整為4 m；其次，加強(qiáng)支護(hù)。頂板螺紋鋼錨桿直徑由20 mm增加至22 mm，錨索直徑由17.8 mm增加至21.6 mm，巷幫支護(hù)的圓鋼錨桿變更為d22 mm的螺紋鋼錨桿，并且預(yù)緊力加大至300 N·m。繼續(xù)掘進(jìn)后，圍巖變形得到了較大的控制。但是，為了保證在回采期間，受采動(dòng)影響巷道變形小，又增加了U型鋼棚進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)?；夭善陂g，材料巷的U型鋼支架變形嚴(yán)重，回收后無法再次使用，還有一部分無法回收，在支護(hù)材料方面造成了較大的浪費(fèi)，并且給兩巷道的超前維護(hù)造成困難。該工作面自巷道開掘至回采結(jié)束，投入了大量的財(cái)力物力，給生產(chǎn)組織帶來了很大的困難。

2) 新102工作面開采完畢后，經(jīng)過系統(tǒng)的研究、分析，決定新101工作面的巷道采用內(nèi)錯(cuò)布置，將材料巷、運(yùn)輸巷均布置在901采空區(qū)下方，見圖3。

圖2 新102工作面概況示意圖

圖3 新101工作面概況示意圖

根據(jù)新101工作面10#、11#煤合并層地質(zhì)、生產(chǎn)條件及巷道布置方式，為了發(fā)揮錨桿支護(hù)的作用，提出以下設(shè)計(jì)原則：

a) 一次支護(hù)原則。錨桿支護(hù)應(yīng)盡量一次支護(hù)就能有效控制圍巖變形，避免二次或多次支護(hù)。

b) 高預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散原則。預(yù)應(yīng)力是錨桿支護(hù)中的關(guān)鍵因素，是區(qū)別錨桿支護(hù)是被動(dòng)支護(hù)還是主動(dòng)支護(hù)的參數(shù)，只有高預(yù)應(yīng)力的錨桿支護(hù)才是真正的主動(dòng)支護(hù)，才能充分發(fā)揮錨桿支護(hù)的作用。

c) “三高一低”原則，即高強(qiáng)度、高剛度、高可靠性與低支護(hù)密度原則。

d) 臨界支護(hù)強(qiáng)度與剛度原則。錨桿支護(hù)系統(tǒng)存在臨界支護(hù)強(qiáng)度與剛度，如果支護(hù)強(qiáng)度與剛度低于臨界值，巷道將長(zhǎng)期處于不穩(wěn)定狀態(tài)，圍巖變形與破壞得不到有效控制。

e) 相互匹配原則。錨桿各構(gòu)件，包括托板、螺母、鋼帶等的參數(shù)與力學(xué)性能應(yīng)相互匹配，錨桿與錨索的參數(shù)與力學(xué)性能應(yīng)相互匹配，以最大限度地發(fā)揮錨桿的整體支護(hù)作用。

f) 可操作性原則。提供的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)具有可操作性，有利于井下施工管理和掘進(jìn)速度的提高。

根據(jù)以上原則和新102工作面的經(jīng)驗(yàn)，巷道支護(hù)采用錨桿、錨索、鋼帶、金屬菱形網(wǎng)、工字鋼棚聯(lián)合支護(hù)。

通過采用十字布點(diǎn)法和頂板離層指示儀兩種礦壓觀測(cè)手段對(duì)巷道礦壓進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果顯示，巷道從開掘至形成切眼，基本未發(fā)生較大的變形，變形量在3～20 mm，達(dá)到了支護(hù)的目的，確保了巷道的安全施工。

4 結(jié) 語

1) 由于應(yīng)力集中地區(qū)的圍巖壓力，如果巷道布置不合理，會(huì)給安全生產(chǎn)帶來直接的損失，后果嚴(yán)重。

2) 施工過程中要小循環(huán)作業(yè)，縮小控頂距，所以，及時(shí)支護(hù)是必要的，并且錨桿的預(yù)緊力應(yīng)該提高。

3) 不能使棚腿承受煤壁的擠壓力，棚腿與巷道兩幫之間需要留合適的間隙。

4) 做好巷道支護(hù)的檢查工作，如果出現(xiàn)煤壁擠壓棚腿現(xiàn)象，要立刻開幫使壓力減小，以免鋼棚無法承受壓力造成變形。

5) 要避免出現(xiàn)頂板將棚子擠壓歪斜或者變形現(xiàn)象，在兩架棚之間安裝雙頭螺栓樣式的撐、拉桿，使棚子連接成一體，提高其穩(wěn)定性。

6) 當(dāng)近距離下分層回采巷道的布置出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象時(shí)，只有合理布置巷道位置、選擇施工斷面、做好支護(hù)選型及支護(hù)工作，才能保證掘進(jìn)、回采安全，實(shí)現(xiàn)工作面安全、高效生產(chǎn)。