王海平　張小康　連傳杰　馬長(zhǎng)青

(1.山西焦煤霍州煤電集團(tuán)；2.山東科技大學(xué)泰安校區(qū))

?

采空區(qū)下近距離煤層巷道穩(wěn)定性分析

王海平1張小康1連傳杰2馬長(zhǎng)青2

(1.山西焦煤霍州煤電集團(tuán)；2.山東科技大學(xué)泰安校區(qū))

摘要團(tuán)柏煤礦11#煤層工作面回采巷道掘進(jìn)及支護(hù)過(guò)程中頂板淋水量大，且直接頂層理裂隙發(fā)育并呈碎裂結(jié)構(gòu)，頂板完整性受到影響，局部易發(fā)生垮冒事故。針對(duì)采空區(qū)下近距離巷道頂板的圍巖特征，研究上煤層開采對(duì)下煤層頂板的影響，并進(jìn)行了支護(hù)方案的優(yōu)選，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可知，錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)可在采空區(qū)下近距離煤層頂板巷道中推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞碎裂頂板；錨網(wǎng)支護(hù)；頂板淋涌水

目前，大多數(shù)近距離煤層都采用下行開采的方式，在上煤層開采后，采動(dòng)支承壓力對(duì)下煤層巷道的穩(wěn)定性有一定程度的影響，對(duì)礦井生產(chǎn)帶來(lái)安全隱患。本文以團(tuán)柏煤礦煤層賦存條件為基礎(chǔ)， 10#煤層開采后，對(duì)其下近距離的11#煤層頂板煤巷進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。

1　工作面概況

團(tuán)柏煤礦11#煤層底板為1.50m的鋁質(zhì)泥巖和1.5m的泥灰?guī)r。頂板為粉砂巖，平均厚度5.4m，上部緊鄰10#煤層采空區(qū)，11#煤層巷道位置如圖1所示。

圖1　11#煤層巷道位置關(guān)系示意

2　近距離煤層圍巖特征

(1)10#煤層和11#煤層為近距離煤層，由于10#煤層開采過(guò)程中采動(dòng)支承壓力的作用，對(duì)11#煤層頂板產(chǎn)生一定程度的破壞，導(dǎo)致11#煤層部分頂板巖層裂隙發(fā)育，局部整體性差。若巷道支護(hù)方式不當(dāng)，可能發(fā)生冒頂事故[1-2]。

(2)位于10#煤層采空區(qū)殘留煤柱下區(qū)域的11#煤層頂板應(yīng)力集中，支承壓力高，煤柱下巷道容易受較大水平應(yīng)力的影響，導(dǎo)致圍巖壓力增加，可能伴隨較大側(cè)壓現(xiàn)象發(fā)生，須采取高預(yù)緊力高強(qiáng)耦合方式支護(hù)[3]。

3　淋涌水對(duì)巷道頂板的影響評(píng)價(jià)

3.1淋涌水對(duì)碎裂巷道頂板影響

巷道開挖后，10#煤層頂板K2灰?guī)r中的水透過(guò)該煤層底板滲透入粉砂巖中，導(dǎo)致部分巖層加速破壞。

在流體滲透和圍巖應(yīng)力共同作用下，11煤層頂板因水侵蝕出現(xiàn)膨脹軟化，造成碎裂巖塊間的摩擦力不足以支撐其重力，加劇了頂板間巖層完整性的破壞，進(jìn)而引起整體垮落的危險(xiǎn)[4]。

3.2淋涌水對(duì)支護(hù)系統(tǒng)影響

錨桿(索)安裝時(shí)可能遇裂隙水持續(xù)外流，會(huì)在粘結(jié)面上形成弱面；長(zhǎng)時(shí)間浸泡后，導(dǎo)致錨固劑強(qiáng)度弱化，使錨桿(索)的錨固力及整個(gè)圍巖的強(qiáng)度都隨著時(shí)間的增加而逐漸降低，對(duì)支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定產(chǎn)生較大威脅。

4　近距離煤層開采的影響

4.1上部煤層開采對(duì)底板破壞程度的分析

團(tuán)柏煤礦10#煤層、11#煤層工作面采用長(zhǎng)壁布置，根據(jù)滑移線場(chǎng)理論，因支承壓力影響而形成的底板屈服破壞深度見(jiàn)圖2所示。

根據(jù)滑移線場(chǎng)理論，上部煤層開采時(shí)底板巖層損傷深度hσ為

(1)

式中，M為上部煤層開采厚度，2.7m；k為應(yīng)力集中系數(shù)，3.0；γ為采場(chǎng)上覆巖層平均容重，2 500kg/m3；H為煤層埋藏深度，340m；C為煤體內(nèi)聚力，3.01MPa；φ為煤體內(nèi)摩擦角，32°；f為煤層與頂?shù)装褰佑|面摩擦系數(shù)f=tanφ；φf(shuō)為底板巖層內(nèi)摩擦角，34°；ξ為三軸應(yīng)力系數(shù),ξ=(1+sinφ)/(1-sinφ)。

圖2 支承壓力所形成的底板破壞深度Ⅰ—主動(dòng)極限區(qū)；Ⅱ—過(guò)度極限區(qū)；Ⅲ—被動(dòng)極限區(qū)

4.2近距離下部煤層頂板分類

根據(jù)近距離煤層定義，結(jié)合前面的理論公式推導(dǎo)可知，當(dāng)煤層的層間距離hj滿足下式時(shí)，應(yīng)屬于極近距離煤層，其頂板全部為破碎頂板。

(2)

表1為近距離下部煤層頂板分類的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

表1　極近距離煤層頂板分類

從團(tuán)柏煤礦的地質(zhì)資料及附近相關(guān)礦井的地質(zhì)報(bào)告得到，10#煤層開采對(duì)底板屈服破壞深度約0.7m，屈服比ψ=hσ/hj=0.13<1，且頂板厚度滿足hj≥1.5m。據(jù)此判定11#煤層巷道頂板為塊裂頂板，說(shuō)明上部煤層開采后下部煤層頂板尚未完全損傷破壞，頂板內(nèi)部具有穩(wěn)定區(qū)域。

4.3近距離下部煤層巷道支護(hù)

11#煤層與10#煤層屬于近距離煤層，常規(guī)的支護(hù)方式無(wú)法滿足巷道穩(wěn)定和快速施工的要求。根據(jù)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的巷道支護(hù)理念及技術(shù)，研究采用高預(yù)緊力高強(qiáng)錨桿配合錨索鋼梁支護(hù)。高預(yù)緊力錨桿可有效提高圍巖的殘余強(qiáng)度，錨桿支護(hù)形成的錨固平衡拱能揮圍巖自身的承載力，有效阻止頂板巖層松散冒落[5]。綜合考慮11#煤巷頂板碎裂特征，以及受10#煤層采空區(qū)淋水影響的具體情況，采用高預(yù)緊力高強(qiáng)錨桿+錨索槽鋼梁進(jìn)行支護(hù)。

5　結(jié)　語(yǔ)

(1)10#煤層開采后，對(duì)11#煤層頂板產(chǎn)生一定程度的破壞，呈現(xiàn)裂隙發(fā)育、松散破碎，再加上10#煤層采空區(qū)大量積水的長(zhǎng)期浸染，對(duì)安全生產(chǎn)構(gòu)成一定的威脅。

(2)通過(guò)分析，判定11#煤層巷道頂板為塊裂頂板，采用高預(yù)緊力高強(qiáng)錨桿和錨索槽鋼梁系統(tǒng)支護(hù)，保證了巷道的穩(wěn)定性和安全性，實(shí)現(xiàn)了礦井安全生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]楊敬軒,劉長(zhǎng)友,楊宇,等.淺埋近距離煤層房柱采空區(qū)下頂板承載及房柱尺寸[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2013(2):161-168.

[2]郭偉.極近距離煤層采空區(qū)下回采巷道穩(wěn)定性分析及控制技術(shù)研究[D].太原：太原理工大學(xué),2015.

[3]安宏圖.極近距離煤層采空區(qū)下回采巷道布置與圍巖控制技術(shù)研究[D].太原：太原理工大學(xué),2015.

[4]沈運(yùn)才.近距離采空區(qū)下松散煤層巷道支護(hù)技術(shù)研究[D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2008.

[5]楊智文.極近距離煤層多采空區(qū)下巷道穩(wěn)定性影響因素及支護(hù)對(duì)策研究[J].中國(guó)煤炭,2014(4):60-64.

(收稿日期2016-05-16)

王海平(1964—)，男，總工程師，工程師，031400 山西省霍州市。