近距離煤層采空區(qū)下工作面巷道支護(hù)研究

孟慶妮

(平頂山天安煤業(yè)股份有限公司，河南 平頂山 467000)

通常將層間距小于10m的煤層稱為近距離煤層，近距離煤層開(kāi)采時(shí)，臨近層圍巖應(yīng)力會(huì)發(fā)生改變，造成臨近層圍巖整體性遭到破壞和穩(wěn)定性出現(xiàn)下降，提高了臨近層工作面巷道支護(hù)難度[1-6]。平煤六礦主采煤層為戊8、戊9和戊10煤層，其中戊二采區(qū)戊9和戊10煤層層間距平均為0.4m，采用合層開(kāi)采，而戊8和戊9煤層層間距平均為5.6m，因此戊8、戊9和戊10煤層屬于近距離煤層群。根據(jù)六礦瓦斯治理方案，戊8煤層作為保護(hù)層首先開(kāi)采，戊9和戊10作為解放層進(jìn)行合層開(kāi)采，這樣戊9和戊10合層工作面巷道需要在近距離煤層采空區(qū)下進(jìn)行掘進(jìn)和支護(hù)。以往，六礦近距離煤層采空區(qū)下工作面巷道支護(hù)多采用架設(shè)U型鋼或者礦工鋼棚進(jìn)行支護(hù)，雖然該支護(hù)形式能夠滿足安全生產(chǎn)需求，但是工序繁瑣，施工速度慢，材料成本較高，不利于巷道的快速掘進(jìn)和緩解礦井采掘接替。以六礦戊9-10-22310工作面回風(fēng)巷道為工程背景，研究六礦戊二采區(qū)近距離煤層采空區(qū)下工作面巷道支護(hù)，以期解決該條件下工作面巷道支護(hù)難題，為礦井科學(xué)支護(hù)提供理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 工作面概況

平煤六礦戊9-10-22310工作面位于戊二采區(qū)東部，北部為戊9-10-22290工作面進(jìn)風(fēng)巷，南部為實(shí)體煤，上部為戊8-22290和戊8-22310工作面采空區(qū)，其中戊8-22290工作面于2017年11月回采結(jié)束，戊8-22310工作面于2013年5月回采結(jié)束。戊9-10-22310工作面所采煤層為戊9和戊10煤層合層，戊9和戊8煤層間距平均為5.6m，戊9和戊10煤層合層均厚3.2m，煤層傾角平均為6°，上部戊8煤層工作面煤層均厚2.1m，煤層傾角平均為6°。戊9-10-22310工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度為1680m，傾斜長(zhǎng)度為260m，頂板自下而上分別為均厚2.1m的砂質(zhì)泥巖和3.5m的細(xì)粒砂巖，底板均厚4.7m的泥巖-砂質(zhì)泥巖，工作面進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷均沿頂板掘進(jìn)，設(shè)計(jì)規(guī)格高×寬為3.7m×4.4m。

2 巷道支護(hù)影響因素

2.1 上部煤層開(kāi)采影響

煤礦開(kāi)采理論認(rèn)為，工作面在回采過(guò)程中會(huì)在周圍形成動(dòng)壓場(chǎng)，在動(dòng)壓場(chǎng)動(dòng)力的影響下，一定范圍內(nèi)的底板圍巖會(huì)遭到破壞產(chǎn)生大量的裂隙，其直接影響便是造成底板圍巖整體性和強(qiáng)度大幅度下降[7-11]?，F(xiàn)采用塑性滑移線場(chǎng)理論對(duì)戊8煤層開(kāi)采后底板破壞深度H1依照公式(1)進(jìn)行計(jì)算，工作面底板塑性破壞結(jié)構(gòu)如圖1所示[12]。

式中，M為采高，取2.1m；k為應(yīng)力系數(shù)，取2.8；γ為上覆巖層容重，取25kN/m3；h為采深，取860m；C為煤體內(nèi)聚力，取1MPa；φ為煤層內(nèi)摩擦角，取22°；f為煤層與底板摩擦系數(shù)，f=tanφ；S為三軸應(yīng)力系數(shù)，S=(1+sinφ)/(1-sinφ)；φf(shuō)為底板圍巖內(nèi)摩擦角，取40°。

Ⅰ—受力主動(dòng)區(qū)；Ⅱ—力的過(guò)度轉(zhuǎn)移區(qū)；Ⅲ—被動(dòng)擠壓膨脹區(qū)圖1 工作面底板塑性破壞結(jié)構(gòu)示意圖

由式(1)計(jì)算可得，戊8煤層開(kāi)采后底板破壞深度H1=15.2m。

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》相關(guān)規(guī)定，同時(shí)根據(jù)六礦戊8煤層工作面開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，得出工作面底板破壞深度H2的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式(2)：

H2=0.0085h+0.1665α+0.1079L-4.3612

(2)

式中，h為采深，取860m；α為煤層傾角，取6°；L為工作面采長(zhǎng)，m。

以戊9-10-22310工作面上部戊8-22290工作面為例，戊8-22290工作面設(shè)計(jì)采長(zhǎng)L=230m，計(jì)算H2=28.7m。

綜上所述，戊9-10-22310工作面上部戊8煤層開(kāi)采后，戊8煤層工作面底板破壞深度為15.2～28.7m，遠(yuǎn)超過(guò)戊8煤層與戊9-10-22310工作面層間距。因此，戊9-10-22310工作面頂板圍巖已經(jīng)遭到破壞。為了進(jìn)一步驗(yàn)證戊8煤層工作面回采后底板破壞具體情況，在戊二采區(qū)戊9-10-22290工作面進(jìn)風(fēng)巷向上部采空區(qū)施工窺視鉆孔，分析結(jié)果可知，戊9-10-22290工作面頂板裂隙發(fā)育程度較高，部分裂隙已經(jīng)溝通兩層煤層。因此，戊9-10-22310工作面巷道掘進(jìn)施工和支護(hù)難度會(huì)相對(duì)較大。

2.2 其他影響因素

通過(guò)對(duì)戊9-10-22310工作面上覆巖層取樣測(cè)試可得，砂質(zhì)泥巖節(jié)理發(fā)育，強(qiáng)度處于27.9～31.2MPa范圍內(nèi)；細(xì)粒砂巖強(qiáng)度處于53.8～78.8MPa范圍內(nèi)，局部離層，存在裂隙帶和破碎區(qū)；戊9-10煤層平均強(qiáng)度為19.6MPa，為中硬煤層，受到上部開(kāi)采影響，局部松散。上部戊8煤層開(kāi)采后形成的采空區(qū)存有積水，會(huì)對(duì)戊9-10-22310工作面頂板形成軟化作用，對(duì)于巷道支護(hù)不利，且積水會(huì)沿著上部煤層開(kāi)采或者原生裂隙向下滲出，造成巖體強(qiáng)度降低，影響巷道施工和支護(hù)。

3 工作面巷道支護(hù)實(shí)踐

3.1 支護(hù)體系選擇

鑒于戊9-10-22310工作面巷道布置在近距離煤層采空區(qū)下，且巷道寬超過(guò)4.5m，巷道頂板圍巖的破壞拉伸寬度較大，且頂板圍巖完整性較差，巖體強(qiáng)度主要由碎裂巖塊擠壓摩擦產(chǎn)生，肩角處圍巖受剪切破壞較明顯，施工過(guò)程中會(huì)造成頂板明顯下沉，而普通“錨網(wǎng)索”支護(hù)錨固點(diǎn)處圍巖不穩(wěn)定，且普通錨固體只能提供單向擠壓力，錨固效果較差，“錨網(wǎng)索”支護(hù)難以發(fā)揮其應(yīng)有作用?；诖耍瑳Q定采用“桁架錨索+錨網(wǎng)”支護(hù)戊9-10-22310工作面巷道，“桁架錨索+錨網(wǎng)”支護(hù)體系主要包括高預(yù)應(yīng)力鋼絞繩、專用連接器、鎖具、錨固劑、桁架錨索、普通錨桿、金屬網(wǎng)等組成，其中桁架錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖3所示?！拌旒苠^索”支護(hù)利用桁架錨索斜穿肩角處，其水平分力可以抵肩角處剪切力，且通過(guò)“桁架錨索”錨固在巷道上下兩肩窩，錨固點(diǎn)隨頂板彎曲下沉出現(xiàn)適度內(nèi)移，可與巷道圍巖形成閉鎖結(jié)構(gòu)，圍巖受力過(guò)程變緩；桁架錨索較長(zhǎng)，具有很好的抗剪效性能和較大預(yù)應(yīng)力，提高圍巖抵抗變形破壞能力，確保支護(hù)體系處于三向應(yīng)力平衡狀態(tài)，且桁架錨索錨固點(diǎn)位于兩幫上方深部穩(wěn)定巖體中，可有效保障支護(hù)體系的穩(wěn)定性，確保對(duì)巷道形成有效支護(hù)[13-16]。

3.2 支護(hù)參數(shù)的確定

鑒于有限元軟件的計(jì)算原理和數(shù)值模擬計(jì)算效果，結(jié)合戊9-10-22310工作面地質(zhì)條件和圍巖組成，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值模型對(duì)桁架錨索角度、長(zhǎng)度、孔口幫距和每排錨桿數(shù)量不同的條件下對(duì)戊9-10-22310工作面巷道支護(hù)效果進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖2—圖5所示。由圖2—圖5可知，隨著桁架錨索角度由40°增加至60°時(shí)，巷道頂板下沉量和兩幫收縮量均逐漸減小，底鼓量變化不大，當(dāng)錨索角度進(jìn)一步增加后，頂板下沉量和兩幫收斂量逐漸增加，確定桁架錨索最佳安設(shè)角度為60°；隨著桁架錨索長(zhǎng)度的增加，巷道頂板下沉量和兩幫收斂量均逐漸減小，底鼓量變化不大，考慮到戊9-10煤層與上部戊8煤層層間距和錨索成本，確定桁架錨索長(zhǎng)度最佳為5m；隨著孔口幫距由0m增加至0.2m時(shí)，巷道下沉量和兩幫收斂量大幅度降低，底鼓量變化不大，隨著孔口幫距由0.2m增加至0.5m時(shí)，頂板下沉量和兩幫收斂量逐漸增高，確定桁架錨索孔口幫距最佳值為0.2m；隨著每排錨桿數(shù)量的增加，頂板下沉量和兩幫收斂量均不斷減小，底鼓量變化不大，但是當(dāng)錨桿由5根逐漸增加后，頂板下沉量和兩幫收斂量變化較緩，考慮到錨桿成本投入，確定每排錨桿數(shù)量最佳為5根。綜上所述，桁架錨索安設(shè)最佳角度為65°，錨索長(zhǎng)度為6m，孔口幫距為0.2m，頂板最佳錨桿數(shù)量每排為5根。

圖2 巷道圍巖變形與桁架錨索角度關(guān)系

圖3 巷道圍巖變形與桁架錨索長(zhǎng)度關(guān)系

圖4 巷道圍巖變形與桁架錨索孔口幫距關(guān)系

圖5 巷道圍巖變形與頂板錨桿數(shù)關(guān)系

圖6 戊9-10-22310工作面巷道支護(hù)方案(mm)

3.3 支護(hù)效果分析

戊9-10-22310工作面巷道掘進(jìn)和回采期間巷道表面變形觀測(cè)結(jié)果如圖7所示，由圖7可知，掘進(jìn)期間巷道頂板下沉量和底鼓量分別為16mm和10mm，左幫和右?guī)鸵平糠謩e為10mm和22mm，頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平糠謩e為設(shè)計(jì)高度和寬度的0.7%和0.7%；回采期間巷道頂板下沉量和底鼓量為142mm和20mm，左幫和右?guī)鸵平糠謩e為33mm和82mm，頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平糠謩e為巷道設(shè)計(jì)高度和寬度的4.3%和2.6%；掘進(jìn)期間，巷道收斂變形主要發(fā)生在距離掘進(jìn)迎頭60m范圍內(nèi)，回采期間巷道收斂變形主要發(fā)生在距離采場(chǎng)煤壁35m范圍內(nèi)，因此在掘進(jìn)期間要對(duì)迎頭60m范圍內(nèi)進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，在回采期間要對(duì)超前35m范圍的巷道進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

圖7 工作面巷道在掘進(jìn)和回采期間表面位移變化曲線

4 結(jié) 語(yǔ)

近距離煤層上部工作面開(kāi)采后會(huì)對(duì)下部工作面頂板造成破壞，給下部工作面巷道的施工支護(hù)增加難度。在進(jìn)行近距離煤層采空區(qū)下工作面巷道支護(hù)時(shí)，要掌握頂板破壞情況，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際選取合理的支護(hù)方式，以確保巷道支護(hù)效果。戊9-10-22310工作面巷道支護(hù)實(shí)踐表明，采用“桁架錨索+錨網(wǎng)”支護(hù)效果較好，巷道未出現(xiàn)明顯變形，可實(shí)現(xiàn)近距離煤層采空區(qū)下巷道支護(hù)預(yù)期目的。另外，在近距離煤層采空區(qū)下巷道掘進(jìn)時(shí)要加強(qiáng)瓦斯監(jiān)測(cè)和上部采空區(qū)積水觀測(cè)，以避免在掘進(jìn)施工過(guò)程中出現(xiàn)瓦斯和水害事故。