周艷國(guó)

(開灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司東歡坨礦業(yè)分公司，河北 唐山 063000)

隨著開灤礦區(qū)開采強(qiáng)度和煤炭產(chǎn)量的不斷提高，開采深度不斷增加，煤層開采的地質(zhì)條件越來(lái)越復(fù)雜，特別是近幾年來(lái)的高強(qiáng)度開采，使采深不斷加大，出現(xiàn)了礦井深部的巷道支護(hù)困難的問(wèn)題。開灤集團(tuán)東歡坨礦現(xiàn)開采煤層屬于近距離煤層群，開采過(guò)程中礦壓顯現(xiàn)劇烈，巷道圍巖變形量顯著增加，圍巖內(nèi)部出現(xiàn)非連續(xù)性破裂現(xiàn)象，支架變形損壞嚴(yán)重，巷道返修工程量大，巷道維護(hù)異常困難等問(wèn)題[1-3]。同時(shí)，由于近距離煤層群回采面下伏大巷的掘進(jìn)支護(hù)設(shè)計(jì)過(guò)程中，往往采用工程類比的方法，缺乏對(duì)巷道圍巖自身狀況的清晰認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致巷道掘進(jìn)及支護(hù)設(shè)計(jì)缺乏科學(xué)的依據(jù)。為此，本文通過(guò)理論和數(shù)值模擬的方法定量研究了-690水平回風(fēng)大巷掘進(jìn)與上方9煤2393工作面回采不同時(shí)空關(guān)系下，即先掘后采和先采后掘兩種狀況下，巷道圍巖的變形破壞狀況，對(duì)比分析得到合理的采掘順序，為-690水平回風(fēng)大巷的巷道布置及減壓掘進(jìn)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 工程概況

開灤集團(tuán)東歡坨礦位于開平煤田西北側(cè)，礦區(qū)東南翼走向13.5km，傾向?qū)?km；西北翼走向長(zhǎng)8km，傾向?qū)?.5km，井田面積40.5km2。東歡坨礦井1988年開工建設(shè)，現(xiàn)生產(chǎn)能力達(dá)到300萬(wàn)t/a。采用立井多水平階段石門開拓，劃分為-500m水平、-690m水平、-950m水平和-1200m水平。其中目前生產(chǎn)水平為-500m水平，-690m水平為延深水平，-950m水平和-1200m水平礦井后期開發(fā)水平?，F(xiàn)開采煤層為8煤、9煤、11煤以及12-2煤層。

1.1 回采面與下伏預(yù)掘巷道位置關(guān)系

東歡坨礦2393工作面位于南一采區(qū)，該工作面可采走向長(zhǎng)度1481m，工作面傾向長(zhǎng)度179m。2393工作面上方無(wú)采掘工程，其下層巷道-690水平回風(fēng)巷為預(yù)掘巷道。2393工作面及-690水平回風(fēng)巷位置關(guān)系如圖1所示。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)資料分析可知，-690水平回風(fēng)巷位于2393工作面正下方約30m處，-690水平回風(fēng)巷距2393風(fēng)道的水平距離約為125m，距2393運(yùn)道的水平距離約為55m。

圖1 2393工作面及-690水平回風(fēng)巷位置關(guān)系圖

1.2 2393工作面基本情況

2393工作面開采煤層為9煤，煤層穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，物理特性為光亮型煤，粉末狀。工作面最小煤厚為2.8m，最大煤厚為5.5m，平均4.7m。煤層傾角19°～23°，平均21°。工作面頂?shù)装鍘r性情況見表1。工作面風(fēng)道、運(yùn)道及風(fēng)道運(yùn)煤聯(lián)絡(luò)巷均沿9煤底板掘進(jìn)，巷道采用29U型14.0m2金屬拱型支架支護(hù)，支架間距取600mm。

表1 2393工作面頂?shù)装迩闆r

1.3 -690水平回風(fēng)巷基本情況

東歡坨礦-690水平回風(fēng)大巷布置在-690水平，為預(yù)掘巷道，巷道支護(hù)形式初步設(shè)計(jì)主要采取錨網(wǎng)索噴支護(hù)形式，頂板破碎及淋水較大地段采用錨網(wǎng)架噴支護(hù)。錨桿采用Ф20mm×2000mm的等強(qiáng)螺紋鋼錨桿。錨索托梁：選用25U型鋼加工，長(zhǎng)度不小于800mm。錨架噴支架采用29U金屬支架。鋼筋網(wǎng)：采用Ф6.5mm鋼筋焊制，規(guī)格500mm×800mm，全斷面鋪設(shè)。

-690水平回風(fēng)大巷開口層位以12-2煤為頂板，巖性為深灰色粉砂巖，條帶狀外觀，泥質(zhì)膠結(jié)；首先施工斜石門，方位N333°，設(shè)計(jì)斜石門平距105.8m，預(yù)計(jì)開口前43.5m見12-1煤，煤厚2.5m，12-1煤頂板巖性為灰色粉砂巖，條帶狀外觀，終口層位為11煤，煤厚2.5m；其次施工11煤回風(fēng)大巷，方位N33°，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度583.3m，11煤偽頂為腐泥質(zhì)粘土巖，厚1.0m左右，11煤底板巖性為灰色細(xì)砂巖，巖石較堅(jiān)硬。巖層柱狀圖如圖2所示。

圖2 巖層綜合柱狀圖

2 下伏大巷減壓掘進(jìn)方案及理論分析

由于-690水平回風(fēng)大巷與上方2393工作面距離較近，-690水平回風(fēng)大巷掘進(jìn)時(shí)必將受到上方回采工作面的影響，經(jīng)分析-690水平回風(fēng)大巷掘進(jìn)時(shí)存在兩種方案：方案一，上方2393工作面回采完成后掘進(jìn)下方-690水平回風(fēng)大巷；方案二，下方-690水平回風(fēng)大巷掘進(jìn)后，再進(jìn)行上方2393工作面回采。針對(duì)這兩種方案，首先采用理論定性分析2393工作面開采對(duì)-690水平回風(fēng)大巷圍巖穩(wěn)定性影響以及探討合理的采掘順序。

通過(guò)分析工作面回采過(guò)程中礦壓應(yīng)力分布情況可知[4，5]，若采取方案二，先掘進(jìn)下方-690水平回風(fēng)大巷，再回采上方的2393工作面，當(dāng)進(jìn)行上方2393工作面回采時(shí)，采動(dòng)礦壓最終應(yīng)力峰值位置正好處于-690水平回風(fēng)大巷上方附近，容易造成-690水平回風(fēng)大巷頂板產(chǎn)生應(yīng)力集中，在此過(guò)程中，大巷將受到工作面采動(dòng)影響，不利于巷道維護(hù)。而如采取方案一，先回采上方的2393工作面，再掘進(jìn)下方-690水平回風(fēng)大巷，當(dāng)上方2393工作面回采后，工作面頂板巖層應(yīng)力重新分布，-690水平回風(fēng)大巷正好處在上方2393工作面采空應(yīng)力降低區(qū)，即減壓區(qū)，如圖3所示，這時(shí)進(jìn)行-690水平回風(fēng)大巷的掘進(jìn)，有利于巷道支護(hù)[6-8]。

圖3 減壓開采后掘進(jìn)巷道頂板巖層應(yīng)力分布圖

3 下伏大巷減壓掘進(jìn)方案模擬研究

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐需要，通過(guò)數(shù)值進(jìn)一步定量研究-690水平回風(fēng)巷掘進(jìn)與上層2393工作面回采不同時(shí)空關(guān)系下，即先掘后采和先采后掘兩種狀況下，巷道圍巖的變形破壞狀況，對(duì)比分析得到合理的采掘順序，以便于巷道穩(wěn)定性維護(hù)[9-12]。

3.1 模型的建立

計(jì)算模型沿X方向長(zhǎng)度為300m，沿Y軸方向長(zhǎng)度為50m，沿Z軸方向高度為220m。9煤頂部離模型頂邊界平均距離為150m，9煤底部離模型底邊界平均距離為65.5m，模型設(shè)置9煤層厚度均為3.2m，9煤層平均傾角為20°，模型上方按至地表巖體的自重施加垂直方向的荷載。模型埋深為300m，在模型頂部加荷載7.5MPa。本次模擬根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查和相關(guān)研究提供的巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，采用的煤巖力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 計(jì)算模型物理力學(xué)參數(shù)列表

本模擬主要是針對(duì)工作面不同開采順序?qū)γ簩酉路较锏乐ёo(hù)效果的影響進(jìn)行模擬，因此，設(shè)計(jì)先掘后采、先采后掘兩種方案進(jìn)行模擬研究。

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1 方案一：先掘后采

先掘后采方案為首先掘進(jìn)-690水平回風(fēng)巷，一段時(shí)間后，進(jìn)行2393工作面回采，所得巷道圍巖塑性區(qū)及豎直應(yīng)力分布如圖4、5所示。

圖4 先掘后采方案-690水平回風(fēng)巷圍巖的塑性區(qū)圖

圖5 先掘后采方案-690水平回風(fēng)巷豎直方向應(yīng)力分布圖

由圖4分析可知：① 2393工作面開采完成之后，巷道圍巖的塑性區(qū)深度大于1.5m，其中巷道的右?guī)筒克苄詤^(qū)達(dá)到3.0m；② 當(dāng)上方2393工作面回采時(shí)，由于-690水平回風(fēng)巷受到工作面采動(dòng)壓力作用影響，使圍巖的潛在的松動(dòng)區(qū)和某些原有的軟弱結(jié)構(gòu)面屈服，導(dǎo)致巷道圍巖的塑性區(qū)向圍巖深部擴(kuò)展，特別是巷道頂板位置處破裂較為嚴(yán)重。

由圖5分析可知：① 當(dāng)-690水平回風(fēng)巷道掘進(jìn)完成后，巷道圍巖應(yīng)力集中區(qū)域在巷道的幫部以及頂?shù)装逄?，最大?yīng)力集中發(fā)生在巷道的幫部，最大集中力為-24.4MPa；② 當(dāng)上層2393工作面煤層開采完成之后，即此時(shí)下層-690水平回風(fēng)巷處于卸壓狀態(tài)，巷道圍巖應(yīng)力云圖較2393工作面開采時(shí)發(fā)生了很大變化，應(yīng)力集中同樣發(fā)生在巷道兩幫及巷道頂?shù)装逄?，最大?yīng)力集中區(qū)域?yàn)橄锏赖膸筒?，最大集中?yīng)力為-2.7MPa，較2393工作面未開采時(shí)的最大集中應(yīng)力降低了近10倍，同時(shí)巷道底板處出現(xiàn)了拉應(yīng)力情況。

3.2.2 方案二：先采后掘

2393工作面回采完成之后豎直方向應(yīng)力分布圖如圖6所示。2393工作面回采完成之后，工作面頂?shù)装逄幱谛秹籂顟B(tài)，在工作面底板巖層中進(jìn)行巷道掘進(jìn)，-690水平回風(fēng)巷道設(shè)計(jì)位置處的豎直方向應(yīng)力為0.3MPa，而-690水平回風(fēng)巷原巖應(yīng)力約為11MPa，可見，2393工作面開采完成之后，擬掘進(jìn)巷道位置卸壓明顯。

圖6 2393工作面回采后豎直方向應(yīng)力分布(MPa)

通過(guò)模擬研究先采后掘方案，得到-690水平回風(fēng)巷圍巖的應(yīng)力和塑性區(qū)分布圖，如圖7所示。分析圖7可知：① 先采后掘時(shí)，-690水平回風(fēng)巷道圍巖頂板處于卸壓狀態(tài)，巷道的應(yīng)力集中區(qū)域在巷道幫部及底板處，其中右?guī)筒靠拷路降淖畲髴?yīng)力集中為-2.2MPa，巷道底板出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為0.5MPa，可能是由于巷道圍巖在側(cè)壓力的影響下，巷道底板有向上鼓起的趨勢(shì)；② 先采后掘時(shí)，塑性區(qū)明顯產(chǎn)生于巷道幫部和巷道底板處，且面積較小，只有在右?guī)筒亢蛶筒康牡捉翘幱忻黠@塑性區(qū)產(chǎn)生。分析原因可能是上方2393工作面開采完成之后，-690水平回風(fēng)巷的圍巖處于卸壓狀態(tài)，當(dāng)在一個(gè)卸壓狀態(tài)下的巖層中進(jìn)行掘巷時(shí)，掘巷所引起的應(yīng)力釋放較小，釋放的彈性能較小，最終導(dǎo)致巷道圍巖的塑性區(qū)較小。

圖7 先采后掘方案-690水平回風(fēng)巷圍巖 應(yīng)力和塑性區(qū)分布圖

3.2.3 綜合分析

為研究開采順序?qū)ο锏乐ёo(hù)圍巖變形的影響程度，確定合理的開采順序，需對(duì)兩種方案模擬所得的結(jié)果進(jìn)行綜合對(duì)比分析，兩種方案所得的圍巖應(yīng)力、塑性區(qū)分布狀況以及巷道頂板下沉量統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 兩種方案的圍巖應(yīng)力、塑性區(qū)分布以及巷道頂板下沉量統(tǒng)計(jì)表

由表3綜合對(duì)比分析可得：①兩種方案所得的巷道圍巖應(yīng)力集中區(qū)域相似，都發(fā)生在巷道的幫部，原巖應(yīng)力下掘巷所得的最大集中應(yīng)力為-24.4MPa，先掘后采方案所得的巷道圍巖最大集中應(yīng)力為-2.7MPa，先采后掘方案所得的巷道圍巖最大集中應(yīng)力為-2.2MPa，先采后掘方案所得的巷道圍巖應(yīng)力集中程度較小，但是兩者相差不大；②先掘后采方案所得的巷道圍巖塑性區(qū)深部為3.0m，先采后掘方案所得塑性區(qū)深度為0.5m，先采后掘所得塑性區(qū)范圍明顯比先掘后采方案所得塑性區(qū)要小，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)優(yōu)先采用先采后掘方案；③先采后掘方案巷道頂板頂板下沉量為22cm，先掘后采方案時(shí)頂板下沉量為65cm，先采后掘方案得到的巷道頂板位移量比先掘后采方案小66%，比原巖應(yīng)力狀態(tài)下得到的頂板位移小50%。

綜合研究分析可知，在同等條件下，下層-690水平回風(fēng)巷優(yōu)先采用先采后掘的減壓掘進(jìn)方案。

4 結(jié) 語(yǔ)

東歡坨礦井-690水平回風(fēng)巷采用了先采后掘的減壓掘進(jìn)方案，降低了巷道復(fù)修工程量，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，保障了工人人身安全，降低了生產(chǎn)成本，為實(shí)現(xiàn)開灤集團(tuán)安全、科學(xué)開采，提供有力的技術(shù)支持，對(duì)同類型的其他深井軟巖巷道工程具有一定的借鑒意義，給開灤集團(tuán)帶來(lái)了一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。