馬蘭礦近距離采空區(qū)下巷道圍巖控制技術應用

趙 軻

（西山煤電馬蘭礦，山西 古交 030200）

長期以來，煤炭一直是我國的主要消費能源。我國煤炭儲量豐富，分布廣泛，在許多礦區(qū)分布著多煤層煤炭資源[1-2]。在多煤層開采過程中，一般優(yōu)先采用下行式采煤法，上煤層開采后，必將對底板巖層產(chǎn)生影響，直接影響到下煤層工作面布置及巷道圍巖控制[3-6]。 李宗岑等[5]分析了近距離上位煤層開采對下伏底板巖層的破壞規(guī)律，趙瑞峰[6]通過分析近距離采空區(qū)下方巷道變形特征，確定采空區(qū)下巷道支護方案。

馬蘭礦南五采區(qū)可采煤層共計2 層，分別為02#煤、2#煤。 根據(jù)礦井開拓方案，南五采區(qū)先期回采上部的02#煤，后期回采下部的2#煤，兩層煤層間距5.5～10.0 m。 受到上部02#煤采空區(qū)影響，下部2#煤圍巖遭到破壞，其巷道圍巖控制難度較大，因此，下部2#煤巷道布置及圍巖控制一直是影響馬蘭礦高效開采的難題之一。

1 工程概況

馬蘭礦南五采區(qū)內(nèi)02#煤平均厚度2.31 m，2#煤平均厚度2.11 m，02#煤和2#煤均為近水平煤層，煤層結果簡單，南五采區(qū)地質綜合柱狀如圖1 所示。 南五采區(qū)2#煤首采工作面為12511 工作面，工作面上部為02#煤采空區(qū)（10511、10513 采空區(qū)）。 布置12511 工作面回采巷道時，計劃將12511 運輸巷布置在10511 采空區(qū)下方，12511 運輸巷布置剖面相對位置如圖2 所示。 根據(jù)鄰近采區(qū)相似巷道掘進、維護情況，工作面回采巷道出現(xiàn)局部冒頂、片幫嚴重等大變形現(xiàn)象，制約了工作面的安全回采，亟需開展馬蘭礦12511 運輸巷近距離采空區(qū)下巷道圍巖控制技術研究。 根據(jù)采掘安全需求，馬蘭礦12511 運輸巷設計為矩形斷面，掘進寬度4 200 mm，掘進高度2 500 mm。

圖1 綜合柱狀圖

圖2 馬蘭礦12511 運輸巷相對位置

2 近距離采空區(qū)下煤層應力分布

為了解12511 工作面煤層應力環(huán)境，采用FLAC3D有限差分軟件，以馬蘭礦12511 工作面生產(chǎn)地質條件為基礎，建立12511 工作面開采計算模型。模型尺寸長×寬×高為200 m×40 m×80 m，其中上部為02#煤10511、10513 工作面，開采寬度均為87 m，工作面煤柱寬26 m，圖3 為上部02#煤10511 工作面開采后，即上部煤層單側采空時下部2#煤層應力分布情況。 圖4 為上部02#煤10511 工作面開采、10513 工作面重復開采后，即上部煤層雙側采空時下部2#煤層應力分布情況。

如圖3 所示，當上部02#煤層單側采空時，沿上部02#煤柱邊緣至采空（10511 采空區(qū)）方向，下部2#煤層內(nèi)垂直應力整體呈衰減趨勢；距上部02#煤柱邊緣3.6 m 范圍內(nèi)，下部2#煤層內(nèi)垂直應力大于原巖應力，屬應力增高區(qū)；隨著距上部02#煤柱邊緣距離的繼續(xù)增加，下部2#煤層內(nèi)垂直應力逐漸減小并小于原巖應力，屬于應力降低區(qū)；當距上部02#煤柱邊緣距離大于16 m 時，下部2#煤層內(nèi)垂直應力逐漸平衡穩(wěn)定，此時下部2#煤層內(nèi)垂直應力為原巖應力20%。

圖3 上部煤層單側采空時下部2#煤層應力分布

如圖4 所示，當上部02#煤層雙側采空時，上部煤層煤柱下方的下部煤層內(nèi)垂直應力相對集中，煤柱兩側采空區(qū)下方的下部煤層內(nèi)垂直應力均呈衰減趨勢；沿上部02#煤柱邊緣至采空（10511采空區(qū)）方向，距上部02#煤柱邊緣7.0 m范圍內(nèi)，下部2#煤層內(nèi)垂直應力大于原巖應力，屬應力增高區(qū)；隨著距上部02#煤柱邊緣距離的繼續(xù)增加，下部2#煤層內(nèi)垂直應力逐漸減小并小于原巖應力，屬于應力降低區(qū)。

圖4 上部煤層雙側采空時下部2#煤層應力分布

3 近距離采空區(qū)下巷道圍巖控制技術

根據(jù)近距離采空區(qū)下煤層應力分布特征，上部02#煤10511、10513 工作面開采后，距上部02#煤柱邊緣7.0 m 范圍內(nèi)，下部2#煤層內(nèi)垂直應力大于原巖應力，屬應力增高區(qū)，因此確定將12511運輸巷沿上部煤層區(qū)段煤柱向采空區(qū)內(nèi)錯8.0 m布置 （巷幫距上部煤柱邊緣水平距離為8.0 m）?；诖耍O計近距離采空區(qū)下巷道支護參數(shù)，如圖5 所示。

圖5 12511 運輸巷支護斷面

1）頂板采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護方式，錨桿采用φ20 mm、L2 000 mm 的左旋高強錨桿，間排距900 mm×900 mm，每排5 根。 錨桿采用加長錨固，配套1 支K2335（里側）、1 支M2360（外側）樹脂錨固劑，錨桿采用14 mm 圓鋼焊接的鋼筋梯連接。錨索采用φ17.8 mm、L5 300 mm 的鋼絞線，間排距1 800 mm×1 800 mm，每排2 根，錨索配套1 支K2360（里側）、3 支M2380（外側）樹脂錨固劑。 錨索采用4 mm 的加厚W 鋼帶連接，金屬網(wǎng)采用6 mm 鋼筋焊接的鋼筋網(wǎng)，規(guī)格4 000 mm×800 mm。

2）幫部采用錨網(wǎng)聯(lián)合支護方式，錨桿采用φ20 mm、L2 000 mm 的左旋高強錨桿，間排距900 mm×900 mm，每排3 根，錨桿配套1 支M2360 樹脂錨固劑。 錨桿采用14 mm 圓鋼焊接的鋼筋梯連接，金屬網(wǎng)采用6 mm 鋼筋焊接的鋼筋網(wǎng)，規(guī)格2 400 mm×800 mm。

4 圍巖控制效果測定與分析

現(xiàn)場監(jiān)測了12511 運輸巷圍巖變形情況，結果如圖6 所示。12511 運輸巷圍巖變形大概可分為3 個階段，包括圍巖結構失穩(wěn)快速變形階段、圍巖結構調整慢速變形階段、圍巖結構調整穩(wěn)定階段。

圖6 12511 運輸巷圍巖移近曲線

圍巖結構失穩(wěn)快速變形階段處于12511 運輸巷掘進初期（50 d 內(nèi)）。 該階段主要是開挖導致巷道圍巖結構失穩(wěn)，從而出現(xiàn)快速變形現(xiàn)象，階段內(nèi)巷道頂?shù)装逑鄬σ平俣燃s3.6 mm/d，兩幫相對移近速度約2.6 mm/d。 圍巖結構調整慢速變形階段是在巷道掘出一定時間后（50～90 d）。 該階段巷道圍巖結構逐漸調整，巷道變形速度逐漸減緩，階段內(nèi)巷道頂?shù)装逑鄬σ平俣燃s2.4 mm/d，兩幫相對移近速度約1.6 mm/d。 圍巖結構調整穩(wěn)定階段在巷道掘出較長時間后（90 d 后）。 該階段巷道圍巖結構調整至穩(wěn)定，巷道圍巖變形速度逐漸向0 mm/d 趨近。 12511 運輸巷掘巷穩(wěn)定后，巷道頂?shù)装逑鄬σ平考s289 mm，兩幫相對移近量約195 mm，12511 運輸巷圍巖變形整體可控。

5 結語

近距離煤層開采擾動底板破壞，導致下部煤層回采巷道維護困難。 以馬蘭礦12511 運輸巷為工程背景，分析了近距離采空區(qū)下煤層應力分布特征，上部02#煤層單側采空時，距上部02#煤柱邊緣3.6 m 范圍外，下部2#煤層屬應力降低區(qū)；上部02#煤層雙側采空時，距上部02#煤柱邊緣7.0 m 范圍外，下部2#煤層屬應力降低區(qū)。 基于此，確定將12511 運輸巷沿上部煤層區(qū)段煤柱向采空區(qū)內(nèi)錯8.0 m 布置，同時，設計了近距離采空區(qū)下巷道支護方式及參數(shù)，12511 運輸巷掘巷穩(wěn)定后，巷道頂?shù)装逑鄬σ平考s289 mm，兩幫相對移近量約195 mm，實現(xiàn)了馬蘭礦12511 運輸巷的穩(wěn)定控制。