佳峰煤礦極近距離煤層回采巷道布置及支護(hù)技術(shù)研究

丁雪峰

（山西離柳焦煤集團(tuán)有限公司佳峰煤礦，山西 呂梁 032300）

1 工程概況

山西離柳焦煤集團(tuán)有限公司佳峰煤礦主采10#和11#煤層間距較小，部分區(qū)域合并為一層，需進(jìn)行合并開采。10#+11#煤層平均厚度6.4 m，煤層傾角0°～8°，煤層普氏系數(shù)f =1.5～2，容重1.35 t/m，如表1 所示。

表1 頂?shù)装鍘r性

10#+11#煤層上方依次為均厚0.8 m 的泥巖、均厚1.68 m 的9#煤層和均厚6.87 m 的K2 石灰?guī)r，下方為均厚4.0 m 的粘土泥巖。

目前準(zhǔn)備布置的1114 工作面北鄰1113 工作面采空區(qū)，東為礦井邊界，南鄰1115 工作面采空區(qū)，西為南軌道及膠帶大巷，上覆為原0909 工作面采空區(qū)。1114 工作面切眼掘進(jìn)寬度6.7 m，掘進(jìn)高度2.6 m，凈寬為6.5 m，凈高為2.5 m，沿11#煤層底板掘進(jìn)。1114 回采巷道掘進(jìn)寬度4.7 m，掘進(jìn)高度為2.7 m，凈寬為4.5 m，凈高為2.6 m，沿11#煤層底板掘進(jìn)。

2 1114 回采巷道布置

結(jié)合礦井邊界、上覆采空區(qū)情況，1114 工作面切眼布置方式有如下三種方案：內(nèi)錯(cuò)布置于0909面采空區(qū)下、與0909 面切眼重疊布置、外錯(cuò)布置于邊界煤柱下[1-5]，具體如圖1。各布置方案的優(yōu)缺點(diǎn)如下：

圖1 1114 工作面切眼位置關(guān)系圖

（1）內(nèi)錯(cuò)布置時(shí)，錯(cuò)開的煤柱垂直應(yīng)力較低，且處于0909 面邊界煤柱對(duì)應(yīng)的底板破壞帶內(nèi)，易進(jìn)一步發(fā)生剪切破壞。因此，為了保證煤柱幫、煤柱的穩(wěn)定性，內(nèi)錯(cuò)距離應(yīng)不小于8～10 m。該方案對(duì)應(yīng)的切眼在開采之初不存在進(jìn)出煤柱的問(wèn)題，切眼圍巖受9#煤層采動(dòng)破壞，但是圍巖應(yīng)力水平較低，整體而言支護(hù)后頂板穩(wěn)定，但頂板不能通過(guò)單軌吊運(yùn)輸重物。此外，該方案浪費(fèi)煤炭資源。

（2）重疊布置時(shí)，煤柱幫及頂板處于0909 面邊界煤柱對(duì)應(yīng)的底板破壞帶內(nèi)，局部區(qū)域圍巖處于應(yīng)力集中區(qū)，圍巖較破碎，但是支護(hù)后頂板整體能穩(wěn)定。該方案對(duì)應(yīng)的切眼破碎圍巖區(qū)域較多，支護(hù)工作量增多，頂板不能通過(guò)單軌吊運(yùn)輸重物，但是不存在切眼附近進(jìn)出煤柱的問(wèn)題。此外，該方案提高了煤炭回采率。

（3）外錯(cuò)布置時(shí)，切眼盡量錯(cuò)開0909 切眼對(duì)應(yīng)的邊界應(yīng)力集中區(qū)。由于邊界煤柱的限制，最大錯(cuò)距為11.7 m，即切眼的工作面幫最大深入0909 面切眼邊界煤柱內(nèi)部5 m。結(jié)合前述松動(dòng)圈觀測(cè)中的分析，煤柱幫2.5～4.5 m 深度應(yīng)力水平較高，同時(shí)結(jié)合理論分析，可推斷0909 面切眼煤柱幫4.5 m 深度為應(yīng)力峰值影響范圍，5～8 m 深度為應(yīng)力增高區(qū)，因此1114工作面切眼最優(yōu)外錯(cuò)距離應(yīng)大于8～10 m。結(jié)合實(shí)際情況，切眼外錯(cuò)11.7 m 布置時(shí)，切眼寬度橫跨5～11.7 m 深度，局部區(qū)域受到高應(yīng)力影響，但圍巖較為完整，通過(guò)合理的支護(hù)也能滿足支護(hù)要求。該方案對(duì)應(yīng)的切眼，頂板可通過(guò)單軌吊運(yùn)輸重物。此外，該方案煤層回采率較高。

通過(guò)綜合對(duì)比可知，外錯(cuò)11.7 m 布置1114 工作面開切眼為首選方案。因此1114 回采巷道布置如圖2，回風(fēng)順槽與上覆9#煤層巷道重疊布置，運(yùn)輸順槽布置于9#煤層0909 采空區(qū)下。

圖2 1114 回采巷道位置關(guān)系圖（m）

3 巷道支護(hù)

3.1 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)相鄰工作面的現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)效果，1114 回采巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)如圖3。頂板錨桿選用Φ22 mm×2400 mm 的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為900 mm×800 mm，全部垂直頂板打設(shè)。為保證錨桿的整體支護(hù)效果，采用6500 mm×280 mm×3 mm 的W 鋼帶護(hù)頂。錨索規(guī)格為Φ21.6 mm×6300 mm，間排距為2200 mm×800 mm?；夭上锏拦ぷ髅?zhèn)儒^桿選用Φ20 mm×2000 mm 的玻璃鋼錨桿，間排距900 mm×800 mm，回采巷道煤柱側(cè)選用Φ22 mm×2400 mm 的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為900 mm×800 mm，最上一根錨桿距離頂板400 mm，垂直巷幫打設(shè)。

圖3 巷道支護(hù)方案（mm）

3.2 支護(hù)效果分析

以煤層賦存條件為基礎(chǔ)，借助FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值模型，對(duì)前述支護(hù)方案進(jìn)行數(shù)值模擬，分析研究其支護(hù)效果。煤巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1，建立模型如圖4。

圖4 數(shù)值計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

如圖4 所示，建立模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高=200 m×200 m×80 m，左右邊界只約束x 方向上的位移，前后邊界只約束y 方向上的位移，下部邊界為全約束邊界，上部邊界施加5 MPa 的垂直應(yīng)力。按照前述支護(hù)方案加設(shè)錨桿（索），當(dāng)工作面回采后，距離工作面10 m 的巷道圍巖應(yīng)力、位移及塑性區(qū)范圍如圖5。

圖5 支護(hù)效果模擬圖

如圖5 所示：

（1）圍巖垂直應(yīng)力分布云圖中高應(yīng)力集中區(qū)范圍相比超前50 m時(shí)明顯增大，應(yīng)力峰值相對(duì)較高，應(yīng)力降低區(qū)范圍較小。巷道淺部圍巖應(yīng)力值較大且均勻，說(shuō)明支護(hù)體-圍巖系統(tǒng)的整體性得到增強(qiáng)，能起到抵抗深部圍巖作用的效果。

（2）支護(hù)作用下，位移分布云圖均呈現(xiàn)明顯的煤-底板分界面，說(shuō)明煤層松軟，受工作面開采擾動(dòng)，煤體相對(duì)變形較大。但巷道底板3～5 m 范圍內(nèi)圍巖位移量不大，有利于維護(hù)巷道圍巖穩(wěn)定，同時(shí)對(duì)煤壁片幫也起到一定的抑制作用。

（3）巷道圍巖最大主應(yīng)力集中區(qū)均位于煤和底板的交接處，最大主應(yīng)力降低區(qū)均位于巷道底板圍巖處，因此最大主應(yīng)力分布狀態(tài)大致相同。從錨桿（索）應(yīng)力分布來(lái)看，錨桿與錨索對(duì)圍巖的作用范圍內(nèi)，桿體所受應(yīng)力峰值為12 MPa，與巷道掘進(jìn)初期及工作面超前50 m 處相比，增長(zhǎng)幅度更大，說(shuō)明當(dāng)巷道位于超前支承壓力峰值區(qū)域時(shí)，支護(hù)方式發(fā)揮的效應(yīng)明顯增加?？傮w來(lái)看，在工作面超前支承壓力峰值區(qū)域內(nèi)，充分發(fā)揮了錨索的懸吊作用，錨桿著力部位深入于底板堅(jiān)硬巖層之內(nèi)，增強(qiáng)了支護(hù)體-圍巖的整體性，能適應(yīng)于綜放開采時(shí)工作面的擾動(dòng)。

（4）巷幫煤壁側(cè)4 m以外圍巖塑性區(qū)范圍較小，巷道兩幫1～1.5 m 范圍內(nèi)受拉破壞的圍巖范圍也較少，說(shuō)明當(dāng)巷道位于工作面超前支承壓力峰值區(qū)域內(nèi)時(shí)，支護(hù)起到了明顯作用。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在1114 回風(fēng)巷進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)巷道圍巖變形量進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)曲線如圖6。

圖6 巷道圍巖變形量監(jiān)測(cè)曲線

如圖6 所示，在距離巷道掘進(jìn)頭40 m 后，巷道圍巖基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，兩幫移近量及頂板下沉量基本不再發(fā)生變化，最終巷道兩幫移近量最大值僅為10 mm，頂板下沉量最大值僅為6 mm，表明巷道布置合理，支護(hù)效果良好，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)的安全生產(chǎn)需求。

5 結(jié)論

本文以1114 工作面為工程背景，針對(duì)佳峰煤礦煤層群煤層間距較小，煤層間相互影響大的問(wèn)題，采用理論分析、工程類比及數(shù)值模擬的方法，得到以下結(jié)論：

（1）最佳布置方案為：1114 工作面開切眼外錯(cuò)11.7 m 布置，回風(fēng)順槽與上覆9#煤層巷道重疊布置，運(yùn)輸順槽布置于9#煤層0909 采空區(qū)下。

（2）最佳支護(hù)方案為：頂板錨桿選用Φ22 mm×2400 mm 的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為900 mm×800 mm， 錨索規(guī)格為Φ21.6 mm×6300 mm，間排距為2200 mm×800 mm，回采巷道工作面?zhèn)儒^桿選用Φ20 mm×2000 mm 的玻璃鋼錨桿，間排距900 mm×800 mm，回采巷道煤柱側(cè)選用Φ22 mm×2400 mm 的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為900 mm×800 mm。

（3）經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)1114 回風(fēng)巷圍巖變形進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，巷道頂板下沉量和兩幫移近量均較小，表明巷道布置方案及支護(hù)方案合理，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)的安全生產(chǎn)需求。