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        極近距離下位煤層開采巷道布置優(yōu)化和支護技術研究

        2019-09-28 07:57:10韓志敏
        山東煤炭科技 2019年9期
        關鍵詞:錨桿圍巖

        韓志敏

        (同煤集團四臺礦,山西 大同 037003)

        1 工程概況

        大同煤礦集團有限責任公司四臺礦12#煤層的8215工作面即將進入準備階段,12#煤層均厚1.80m,煤層傾角0°~10°,平均為4°,工作面傾斜長度150m,走向長度1600m。12#上部為已經(jīng)回采完畢的11#煤層,12#與11#煤層間距最小1.74m,最大3.98m,平均2.46m。8215工作面地面相對位置南部為拒墻煤礦,西部為碾盤溝聯(lián)營煤礦,東部為黃土坡煤礦,北為北辛窯煤礦。8215上覆有四臺礦11#煤層的8215工作面和8214工作面采空區(qū),地面位置有廢棄小窯井筒。為了更加合理的確定8215工作面回采巷道的位置及支護方式,為工作面的安全開采提供保障,針對四臺礦12#煤層8215工作面具體的地質條件進行了相關研究。

        表1 工作面頂?shù)装鍘r性特征

        2 上部煤層開采底板損傷數(shù)值模擬分析

        為詳細了解四臺礦11#煤層開采對于下位12#煤層的具體影響,采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件,以該礦的11#煤層8215和8214工作面回采為工程背景,研究分析11#煤層開采對于下部巖層的損壞情況。煤巖體采用摩爾—庫倫本構模型,模型尺寸長×寬×高=125×1×80m。11#煤層工作面采高3.5m,平均埋深為200m,12#煤層與11#煤層間距為2.5m。上位的11#煤層開挖后采用一次性換充填材料模擬采空區(qū)冒落矸石[1],開挖示意圖及數(shù)值模擬模型如圖1所示。四臺礦11#煤層開采時工作面之間的區(qū)段煤柱寬度變化較大,煤柱寬度在5~30m之間,因此設計模擬方案為11#煤層8215和8214工作面之間煤柱寬度分別為5~25m之間變化,1m為一個梯度,進行11#煤層兩個工作面的回采。

        圖1 模擬方案示意圖

        圖2 11#煤層采動對于底板巖層的塑性破壞情況

        不同煤柱寬度條件下11#煤層開采圍巖塑性區(qū)分布模擬結果如圖2所示,由于篇幅所限,僅展示典型的結果。根據(jù)模擬結果可知,11#煤層回采引起底板巖層的破壞形式以剪切破壞為主,塑性區(qū)存在明顯的兩層未發(fā)生破壞的巖層,研究表明為巖性較好的砂巖。采空區(qū)下方煤巖體破壞深度達35.6m,區(qū)段煤柱下方巖層的塑性破壞范圍較小,底板塑性區(qū)在空間上的形狀近似漏斗型,隨著煤柱寬度的增加,煤柱內(nèi)及下方煤巖體的塑性變形范圍逐漸減小。當煤柱寬度小于8m時,煤柱完全進入塑性狀態(tài),并且煤柱下砂巖出現(xiàn)明顯的破壞;當煤柱寬度為12m時,煤柱下方巖層完整性良好;當煤柱寬度大于12m時,煤柱內(nèi)存在一定寬度的未破壞區(qū)域,煤柱下方煤巖體完整性良好。

        3 極近距離下部煤層開采巷道圍巖控制原理及應用

        近距離煤層下行開采,合理的巷道位置很大程度上取決于與上層采空區(qū)、保護煤柱的空間位置關系[2~3]。根據(jù)數(shù)值模擬結果可知,12#煤層由于11#煤層采動的影響,在11#煤層采空區(qū)下的煤巖體破碎嚴重,煤柱下煤巖體完整性良好。11#煤層8215工作面與8214工作面之間區(qū)段煤柱寬度為18m,因此將12#煤層的8215回風順槽布置在11#煤層煤柱下方,8215運輸順槽布置在采空區(qū)下方。根據(jù)模擬結果可知,采空區(qū)下的8215運輸順槽圍巖將破碎較為嚴重,而8215回風順槽圍巖完整性較好,因此設計采用不同的圍巖控制技術進行巷道的支護。

        3.1 采空區(qū)下巷道圍巖控制

        8215運輸順槽原設計斷面為矩形,尺寸寬×高=4.2×3.2m,將其斷面優(yōu)化為梯形,梯形斷面頂板寬度減小為4.0m,減少采空區(qū)下巷道頂板的跨度,提高頂板的穩(wěn)定性。采用全長錨固錨桿使巷道頂板形成一個整體性較好的錨固體,在肩角通過桁架支護技術形成楔形錨固區(qū),構建一個頂板楔形加固區(qū),并提高兩幫煤壁的支護強度達到減跨穩(wěn)頂?shù)哪康腫4]。

        12#煤層8215運輸順槽為梯形斷面,巷道頂板凈寬度為4.0m,底板寬度為5.0m,采用錨架棚聯(lián)合支護。梯形棚采用11#工字鋼加工而成,頂梁長度為4.0m,棚腿長3.5m,棚腿下部焊接長寬為300mm的正方形鋼板,棚與棚間距為700mm。頂板采用Ф22×1400mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿配合鋼筋網(wǎng)、菱形金屬網(wǎng)、W型鋼帶聯(lián)合支護,每排布置五根,錨桿間排距為875×700mm,鋼帶尺寸為4200×210×3mm。兩幫采用Ф22×2000mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿配合菱形金屬網(wǎng)進行支護,錨桿間排距為800×700mm,靠近頂板的錨桿距離頂板400mm。錨桿錨固劑選擇凝結速度為快速和中速的樹脂藥卷,頂板和兩側幫壁錨桿采用藥劑為K2340、Z2360各一支。12#煤層8215運輸順槽詳細的支護參數(shù)如圖3所示。

        圖3 8215運輸順槽支護詳情

        3.2 煤柱下巷道支護方案及參數(shù)

        12#煤層8215回風順槽斷面尺寸寬×高=4.2×3.2m,巷道布置在11#煤層8215與8214工作面之間的區(qū)段煤柱下方,根據(jù)數(shù)值模擬結果可知,巷道圍巖并不會由于11#煤層采動的影響嚴重破壞,其穩(wěn)定性仍較好,因此設計采用常用的錨桿、錨索及鋼筋網(wǎng)、W型鋼帶聯(lián)合支護,頂板采用Ф22×2000mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,錨桿間排距為875×900mm,每排五根錨桿均垂直頂板安裝,每隔兩排錨桿布置一排錨索,錨索選用Ф21.6×8000mm的高強錨索,采用三花布置,間排距為2800×1800mm,頂板錨索錨固劑使用快速K2340一支和Z2360三支,錨桿采用錨固劑為K2340、Z2360各一支,頂板采用直徑為6.5mm的鋼筋網(wǎng),網(wǎng)孔大小為100mm。兩幫錨桿型號與頂板相同,間排距為1600×900mm,距離頂板300mm,每隔一排錨桿布置一排Ф21.6×3000mm的高強錨索,兩側錨桿錨索交替布置,錨索間排距為1600×1800mm。12#煤層8215回風順槽支護詳情如圖4所示。

        圖4 8215回風順槽支護方案

        4 現(xiàn)場應用效果

        為考察支護方案的圍巖控制效果,12#煤層8215運輸順槽和回風順槽掘進施工階段設立圍巖位移觀測點,監(jiān)測成巷后圍巖的位移情況,整理結果如圖5所示。根據(jù)現(xiàn)場礦壓觀測結果可知,采空區(qū)下的8215運輸順槽成巷后兩幫最大移近量為50mm,頂?shù)装遄畲笠平繛?5mm,煤柱下的8215回風順槽兩幫最大移近量為28mm,頂?shù)装遄畲笠平繛?1mm,巷道圍巖整體上穩(wěn)定性很好,取得了良好的支護效果。

        5 結 論

        根據(jù)四臺礦12#煤層8215工作面具體的地質條件,通過數(shù)值模擬及理論分析得知,11#煤層開采對于底板巖層的擾動破壞深度約為35.6m,采空區(qū)下的12#煤層煤巖體發(fā)生明顯的塑性破壞;煤柱寬度小于12m時,煤柱下方煤巖體存在塑性破壞區(qū);煤柱寬度大于12m時,下方煤巖體較完整。據(jù)此設計采空區(qū)下12#煤層8215運輸順槽采用錨桿架棚聯(lián)合支護,煤柱下8215回風順槽采用傳統(tǒng)的錨網(wǎng)索支護,巷道掘進過程中進行圍巖位移監(jiān)測,監(jiān)測結果表明,巷道圍巖變形有效的控制在合理的范圍內(nèi),取得良好的應用效果。

        圖5 圍巖位移監(jiān)測結果

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