近距離煤層工作面巷道支護(hù)技術(shù)的研究

呂 晨

（同煤集團(tuán)綜采辦， 山西 大同 037001）

引言

在全國范圍內(nèi)，近距離煤層分布廣泛。但是近距離煤層在開采過程中面臨著很多技術(shù)難題，開采難度相對(duì)較大[1-2]。巷道支護(hù)作為保障工作面安全的重要措施和手段，進(jìn)行近距離開采時(shí)巷道支護(hù)難度也隨之提高。因此，針對(duì)近距離煤層開采過程中的巷道支護(hù)技術(shù)進(jìn)行深入的分析和研究，以提升相關(guān)的技術(shù)水平，對(duì)于保障工作面掘進(jìn)過程的安全有著非常重要的實(shí)踐意義和理論意義[3]。本文以某近距離煤礦巷道支護(hù)為例，在充分考慮近距離煤層圍巖特征的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)研究了工作面巷道支護(hù)方案[4-5]。該方案在實(shí)踐中取得了較好的應(yīng)用效果，可以為相似巷道支護(hù)提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 近距離煤層工作面巷道情況的介紹

某煤礦當(dāng)前階段正在開采的5 號(hào)煤層已經(jīng)幾乎開采完畢，接下來需要對(duì)10 號(hào)和12 號(hào)煤層進(jìn)行開采，此兩個(gè)煤層屬于近距離煤層。為了確保后續(xù)工作的順利推進(jìn)，亟需對(duì)10 號(hào)和12 號(hào)煤層的巷道支護(hù)方案進(jìn)行研究。10 號(hào)煤層所屬區(qū)域的巷道圍巖為碎屑性質(zhì)。煤層埋深在234.37～453.37 m 范圍內(nèi)，平均埋深為331.44 m。煤層的厚度范圍為1.43～6.68 m，煤層平均厚度為3.42 m。巷道頂板和地板圍巖屬于泥巖性質(zhì)。12 號(hào)煤層巷道圍巖同樣屬于碎屑性質(zhì)。煤層埋深范圍為232.82～442.13 m，平均埋藏深度為293.11 m。煤層厚度范圍為0.93～2.09 m，煤層平均厚度為1.34 m。頂板和地板分別為深灰色石灰?guī)r和泥巖。12 號(hào)煤層西北部區(qū)域與10 號(hào)煤層距離非常近，與之合并。近距離工作面巷道支護(hù)存在其自身特點(diǎn)，難度有所提升。煤礦接下來準(zhǔn)備先對(duì)10 號(hào)煤層進(jìn)行開采。因此，首先對(duì)該煤層工作面巷道支護(hù)方案進(jìn)行研究，為12 號(hào)煤層工作面巷道支護(hù)提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。10 號(hào)煤層為矩形巷道，寬度和高度分別為4.65 m 和2.6 m，巷道截面面積為12.09 m2。

2 工作面巷道支護(hù)方案的確定

2.1 頂板支護(hù)方案

頂板采用的錨桿為左旋無縱筋剛錨桿，錨桿規(guī)格尺寸為直徑20 mm，長度2 m。每排設(shè)置5 根錨桿，間距和排距全部設(shè)置為1 m。通過樹脂錨固劑進(jìn)行加強(qiáng)錨固，錨固的長度為1.3 m。每根錨桿使用兩支樹脂，型號(hào)分別為MSK2360 和MSCKa2335。錨固過程中還需要配合使用拱形托盤和球形墊圈，此兩件配件都必須有較高的強(qiáng)度，其中拱形托盤尺寸為150 mm×150 mm×80 mm。靠近兩幫的錨桿偏移20°角進(jìn)行安裝，其余部位錨桿全部進(jìn)行垂直安裝。

錨索采用的是高強(qiáng)度鋼絞繩，規(guī)格為直徑17.8 mm、長度6 m，間距和排距全部為2 m，整體上以“2—1—2”的形式進(jìn)行布置，錨索所處位置與兩幫之間的距離為1 325 mm。同樣通過樹脂錨固劑進(jìn)行加強(qiáng)錨固，每根錨索使用的樹脂數(shù)量為3 支，其中2 支為MSK2360，1 支為MSCKa2335。配合使用可調(diào)心大托盤，要求具備較高的強(qiáng)度，托盤尺寸為250 mm×250 mm×16 mm。

菱形金屬網(wǎng)通過直徑1.6 mm 的鐵絲進(jìn)行制作，菱形網(wǎng)孔規(guī)格為0.1 m×0.1 m。金屬網(wǎng)整體的規(guī)格尺寸根據(jù)實(shí)際使用情況進(jìn)行裁剪，在鋪設(shè)金屬網(wǎng)時(shí)必須確保拉緊鋪平。如果需要進(jìn)行搭接時(shí)，搭接長度不得低于0.1 m。

2.2 兩幫支護(hù)方案

采用的錨桿規(guī)格、錨固方式與頂板全部相同，每排設(shè)置3 根錨桿，間距和排距分別為0.9 m 和1 m，起錨高度設(shè)置為0.5 m。錨固過程中配合使用拱形托盤，托盤尺寸為150 mm×150 mm×80 mm?？拷敯宓腻^桿偏移20°角進(jìn)行安裝，其余錨桿全部垂直安裝。菱形金屬網(wǎng)通過直徑3.25 mm 的鐵絲制作，菱形網(wǎng)孔規(guī)格為0.05 m×0.05 m。金屬網(wǎng)整體的規(guī)格尺寸根據(jù)實(shí)際使用情況進(jìn)行裁剪，在鋪設(shè)金屬網(wǎng)時(shí)必須確保拉緊鋪平，如果需要進(jìn)行搭接時(shí)，搭接長度不得低于0.1 m，見圖1。

圖1 10 號(hào)煤層工作面巷道支護(hù)斷面圖（單位：mm）

3 工作面巷道支護(hù)方案的模擬分析

3.1 軟件選擇及模型建立

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的工作面巷道支護(hù)方案的有效性，利用FLAC-3D 有限元仿真模擬軟件對(duì)支護(hù)方案進(jìn)行計(jì)算分析。模型建立過程中需要輸入前期巷道圍巖勘測(cè)數(shù)據(jù)，以期得到真實(shí)的巷道圍巖變形情況。頂板和兩幫支護(hù)方案按上述技術(shù)參數(shù)執(zhí)行。需要說明的是，為了保障計(jì)算過程的順利進(jìn)行并縮短模型計(jì)算時(shí)間，在建立模型時(shí)進(jìn)行了一些假設(shè)，比如假設(shè)巷道圍巖具有相同的物理屬性等。

3.2 仿真模擬結(jié)果分析與討論

根據(jù)建立的有限元模型進(jìn)行模擬仿真，并提取相關(guān)的計(jì)算結(jié)果。如圖2 和圖3 所示分別為工作面巷道圍巖在水平方向和垂直方向上的位移和應(yīng)力分布情況。從圖中數(shù)據(jù)可以看出，巷道圍巖在水平方向上的最大位移量為29.44 mm，最大的應(yīng)力值為5.8 MPa。在垂直方向上，巷道圍巖的最大位移量為45.73 mm，最大應(yīng)力值為13.7 MPa。巷道圍巖在垂直方向上的位移和應(yīng)力比水平方向上大，但均在合理范圍內(nèi)。基于模擬仿真結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)的工作面巷道支護(hù)方案能夠達(dá)到理想的效果，巷道圍巖不管是在水平方向還是在垂直方向上的位移和應(yīng)力情況都在合理的范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)工作面的安全構(gòu)成威脅。

4 工作面巷道支護(hù)方案實(shí)踐效果研究

基于模擬仿真結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)的工作面巷道支護(hù)方案能夠滿足實(shí)際使用需要，可以將其應(yīng)用到工業(yè)實(shí)踐中。因此，在煤礦10 號(hào)煤層開采過程中，通過本文設(shè)計(jì)的巷道錨固支護(hù)方案進(jìn)行支護(hù)處理。以下對(duì)該方案在實(shí)踐過程中的效果進(jìn)行介紹和分析。

圖2 工作面巷道圍巖在水平方向上的位移和應(yīng)力分布情況

圖3 工作面巷道圍巖在垂直方向上的位移和應(yīng)力分布情況

4.1 工作面巷道變形量監(jiān)測(cè)方案

在10 號(hào)煤層正式開采過程中，沿著巷道方向均勻布置了3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，相鄰監(jiān)測(cè)點(diǎn)的間距設(shè)置為20 m。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置不得對(duì)正常掘進(jìn)過程造成影響。監(jiān)測(cè)點(diǎn)頂?shù)孜灰谱冃吻闆r以及兩幫位移變形情況測(cè)量方法見圖4。這種測(cè)量方法稱之為“十”字布點(diǎn)測(cè)量法，分別測(cè)量AO、BO、CO 和DO 之間的距離就可以計(jì)算得到頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平?。在前面一段時(shí)間監(jiān)測(cè)密度可以適當(dāng)加大，每天進(jìn)行1 次監(jiān)測(cè)，待巷道變形穩(wěn)定后，則可以適當(dāng)降低檢測(cè)密度，每周進(jìn)行1～2 次監(jiān)測(cè)即可。整個(gè)巷道變形量監(jiān)測(cè)過程持續(xù)3個(gè)月。

圖4 工作面巷道變形量檢測(cè)方案示意圖

4.2 工作面巷道變形監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

如下頁圖5 所示為工作面巷道頂?shù)装搴蛢蓭鸵平侩S時(shí)間的演變曲線。從圖中的演變曲線可以看出，在剛開始階段巷道兩幫的移近量情況非常顯著，平均每天的移近量達(dá)到了2.13 mm。直到近50 d 以后巷道兩幫移近量才逐漸趨于穩(wěn)定，在第82 d 時(shí)兩幫移近量達(dá)到了最大值，為118.12 mm。巷道頂?shù)装逡平颗c兩幫移近量的變化趨勢(shì)基本相同。但實(shí)際移近量卻要小很多，幾乎只有兩幫移近量的50%左右。剛開始階段，巷道頂?shù)装逯g的移近量速度為每天1.3 mm，50 d 以后，頂?shù)装逡平块_始趨于穩(wěn)定，達(dá)到85 d 時(shí)頂?shù)装逡平窟_(dá)到了最大值，為67.56 mm。

對(duì)比有限元分析結(jié)果和實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，兩者之間存在一定的區(qū)別。主要原因是巷道的變形量影響因素是多方面的。在進(jìn)行有限元模擬時(shí)做出了一些假設(shè)。因此，其巷道變形情況相對(duì)較小。但不管是有限元分析結(jié)果還是實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果都可以看出，本文設(shè)計(jì)的工作面巷道支護(hù)方案達(dá)到了理想的效果，將巷道的變形控制在了合理范圍內(nèi)。為工作面的快速掘進(jìn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，保障了井下的安全，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了較大的經(jīng)濟(jì)效益。

圖5 工作面巷道頂?shù)装搴蛢蓭鸵平侩S時(shí)間的演變曲線