楊 陶

(霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司 木瓜煤礦，山西 方山 033100)

1 工程概況

木瓜煤礦開采的10號(hào)煤層為復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層，煤層厚度2.3～3.4 m，平均2.95 m，傾角4～8°，平均6°，煤層中部夾三層炭質(zhì)泥巖(0.3～0.7 m)，煤巖類型為半亮型焦煤。目前，10-102工作面正處于準(zhǔn)備階段，蓋山厚度227～424 m，地面標(biāo)高1 225～1 335 m，工作面標(biāo)高927～988 m。煤層頂?shù)装鍘r性見表1。10-102工作面位于一采區(qū)準(zhǔn)備巷道左翼，上部為9-104、9-106采空區(qū)。該工作面以東為實(shí)體煤；以南為南區(qū)實(shí)體煤，緊鄰一采區(qū)邊界；以西緊鄰10-106采空區(qū)。10-102工作面與上部9號(hào)煤層采空區(qū)間距為1～8 m，平均4.5 m。近距離煤層下行開采時(shí)，下位煤層巷道掘進(jìn)過(guò)程中礦壓顯現(xiàn)劇烈、圍巖變形量大，巷道支護(hù)起來(lái)更加困難，并且工作面切眼斷面較大，掘進(jìn)和支護(hù)過(guò)程中均面臨更大的困難，給工作面的正常采掘造成極大影響，本文以木瓜煤礦10-102工作面開切眼為工程背景，展開相關(guān)研究。

表1 10號(hào)煤頂?shù)装鍘r性特征

2 10-102工作面開切眼合理位置確定

近距離煤層下行開采時(shí)，下位煤層回采時(shí)上層煤已采空，下位煤層的回采巷道圍巖受上位煤層開采的影響，完整性和自穩(wěn)能力大大降低，下位煤層工作面回采巷道上部為上層煤的采空區(qū)或者遺留煤柱，根據(jù)以往的研究表明[1-2]，巷道位于煤柱下方時(shí)，常常由于劇烈的礦壓顯現(xiàn)導(dǎo)致巷道支護(hù)困難；當(dāng)巷道位于采空區(qū)下方時(shí)，由于層間巖層厚度太小，導(dǎo)致傳統(tǒng)的錨桿錨索支護(hù)效果極差，仍然存在支護(hù)的難題。近距離條件下巷道的合理位置對(duì)于巷道的圍巖穩(wěn)定性非常關(guān)鍵，為確定10-102工作面切眼與9號(hào)煤層采空區(qū)遺留煤柱的合理錯(cuò)距，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，根據(jù)木瓜煤礦10號(hào)煤層詳細(xì)的地質(zhì)條件1∶1建立數(shù)值模型，模型尺寸為：高×寬×長(zhǎng)=60 m×125 m×1 m，模型采用摩爾-庫(kù)倫彈塑性單元，工作面埋深取350 m，模型上部設(shè)置均布向下荷載為8.75 MPa，數(shù)值模型及邊界條件如圖1所示。分別模擬9號(hào)煤層回采后10-102切眼布置在煤柱下及與煤柱錯(cuò)距分別為0 m、4 m、8 m時(shí)，切眼圍巖的塑性破壞及位移情況，模擬結(jié)果如圖2和表2所示。

圖1 三維數(shù)值模型示意

圖2 圍巖塑性區(qū)分布

表2 不同錯(cuò)距條件下圍巖變形量

根據(jù)圖2及表2可知，工作面切眼位于煤柱正下方時(shí)，兩幫圍巖塑性破壞范圍與采空區(qū)下煤巖體聯(lián)通，頂?shù)装搴蛢蓭偷奈灰屏繛樽畲?；切眼與煤柱錯(cuò)距為0 m時(shí)，底板塑性破壞深度與切眼處于煤柱下方相比明顯減小，右?guī)退苄云茐姆秶c切眼位于煤柱下方相比也相對(duì)減小，圍巖的位移同樣明顯減??；開切眼離煤柱邊緣4 m時(shí)，塑性區(qū)范圍相對(duì)較小，并且圍巖的位移達(dá)到最小，說(shuō)明此時(shí)的開切眼受煤柱的影響較小；開切眼距離煤柱邊緣為8 m時(shí)，巷道底板塑性破壞范圍明顯增大，并且圍巖的變形量也開始增加，說(shuō)明越靠近采空區(qū)中部切眼圍巖破碎越嚴(yán)重。綜合上述分析，選擇將開切眼布置在錯(cuò)開煤柱4 m的采空區(qū)下方。

3 10-102工作面開切眼成巷方式模擬研究

10-102工作面切眼斷面為：寬×高=7.0 m×3.0 m，由于斷面尺寸較大，并且圍巖破碎嚴(yán)重，采用一次成巷的方式導(dǎo)致頂板支護(hù)困難，工作效率較低，因此設(shè)計(jì)采用二次成巷的方式[3]，通過(guò)數(shù)值模擬分析以下四種掘巷方式的優(yōu)劣：方案一，先掘?qū)挕粮?3.5 m×3.0 m，后擴(kuò)刷3.5 m形成切眼；方案二，先掘?qū)挕粮?4.5 m×3.0 m，后擴(kuò)刷2.5 m形成切眼；方案三，先掘?qū)挕粮?5.5 m×3.0 m，后擴(kuò)刷1.5 m形成切眼；方案四，掘巷斷面寬×高=7.0 m×3.0 m,一次形成切眼。統(tǒng)計(jì)不同成巷方式條件下，切眼頂板的下沉量，整理后得到如圖3所示結(jié)果。

圖3 切眼不同成巷方式頂板下沉量

由圖3可知，開切眼一次成巷時(shí)，頂板下沉量最大；開切眼時(shí)掘進(jìn)寬度為3.5 m時(shí)，雖然掘巷時(shí)頂板下沉量較小，但是擴(kuò)刷時(shí)對(duì)頂板擾動(dòng)程度較大，最終引起的頂板下沉量也較大；掘進(jìn)寬度為5.5 m時(shí)，掘巷時(shí)引起頂板下沉量較大；先掘4.5 m后擴(kuò)刷2.5 m時(shí)，擴(kuò)刷對(duì)切眼頂板的擾動(dòng)破壞較小，成巷后頂板的下沉量最小。因此根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，開切眼應(yīng)該采用先掘4.5 m再擴(kuò)刷成巷的方式。

4 10-102工作面切眼圍巖控制技術(shù)

根據(jù)以上數(shù)值模擬結(jié)果， 10-102工作面切眼與9號(hào)煤層遺留煤柱錯(cuò)距為4 m，切眼斷面經(jīng)過(guò)兩次施工后形成，一次掘巷斷面為寬×高=4.5 m×3.0 m，后擴(kuò)刷2.5 m形成切眼。由于切眼頂板厚度較小，頂板支護(hù)選用水力膨脹錨桿[4]。

4.1 一次掘進(jìn)時(shí)支護(hù)方案

一次掘進(jìn)時(shí)導(dǎo)硐斷面寬為4.5 m，頂板支護(hù)采用D28 mm×2 400 mm的水力膨脹錨桿，間排距均為700 mm，錨桿通過(guò)D14 mm鋼筋梯子梁聯(lián)結(jié)，錨桿距離兩幫150 mm，最邊緣的錨桿向外側(cè)傾斜20°安裝。在錨桿之間布設(shè)一個(gè)工字鋼，通過(guò)兩個(gè)單體柱進(jìn)行支撐。不刷幫側(cè)采用D22 mm×2 400 mm的高強(qiáng)螺紋鋼錨桿支護(hù)，間排距均為700 mm，配合鋼筋梯子梁及菱形網(wǎng)護(hù)幫，錨固劑采用CK2335和K2360各一支，靠近頂板的錨桿仰角20°安裝，其余垂直煤壁施工。擴(kuò)刷幫采用D20 mm×2 000 mm的玻璃鋼錨桿進(jìn)行支護(hù)，間排距為700 mm×800 mm，通過(guò)雙抗塑料網(wǎng)進(jìn)行護(hù)幫，靠近頂板的錨桿仰角20°安裝，其余垂直煤壁安裝。一次掘巷支護(hù)示意如圖4所示。

圖4 一次掘進(jìn)時(shí)巷道支護(hù)(mm)

4.2 二次擴(kuò)刷后支護(hù)方案

二次擴(kuò)刷的斷面寬度為2.5 m，頂板采用D28 mm×2 400 mm的水力膨脹錨桿，間排距為700 mm×700 mm，錨桿通過(guò)D14 mm鋼筋梯子梁聯(lián)結(jié)，菱形金屬網(wǎng)采用網(wǎng)孔為50 mm×50 mm護(hù)頂，錨桿距離煤幫200 mm，靠近切眼煤壁的錨桿向外側(cè)傾斜20°安裝。每排錨桿間設(shè)置一個(gè)單體液壓支柱進(jìn)行支撐，支柱距離煤壁2 000 mm。擴(kuò)刷后的煤壁采用D22 mm×2 400 mm的高強(qiáng)螺紋鋼錨桿支護(hù)，間排距為700 mm×700 mm，配合鋼筋梯子梁及菱形網(wǎng)護(hù)幫，錨固劑采用CK2335和K2360各一支，靠近頂板的錨桿仰角20°安裝，其余垂直煤壁施工。擴(kuò)刷后最終形成的切眼支護(hù)方案如圖5所示。

圖5 切眼最終支護(hù)方案示意(mm)

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

為考察10-102工作面切眼布置位置、成巷方式及支護(hù)方式的應(yīng)用效果，切眼斷面形成后布置三個(gè)測(cè)站，測(cè)站間距離為50 m，監(jiān)測(cè)切眼頂?shù)装搴蛢蓭偷南鄬?duì)移近量，整理后得到如圖6所示的結(jié)果。由圖可知，對(duì)切眼圍巖位移監(jiān)測(cè)的30 d內(nèi)，頂?shù)装逑鄬?duì)移近量最大值平均約為89 mm，兩幫相對(duì)移近量最大值平均約為95 mm，圍巖的變形速率逐漸減小，成巷30 d后變形速度基本為零。由此可見切眼布置位置及支護(hù)技術(shù)有效地控制了切眼頂?shù)装寮皟蓭偷淖冃危〉昧肆己玫膽?yīng)用效果。

圖6 10-102工作面切眼圍巖位移規(guī)律

6 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)木瓜煤礦10-102工作面具體的地質(zhì)條件，通過(guò)數(shù)值模擬確定了工作面切眼與9號(hào)煤層遺留煤柱的合理錯(cuò)距為4.0 m，掘巷方式為二次成巷：導(dǎo)硐斷面寬×高=4.5 m×3.0 m，后擴(kuò)刷2.5 m形成切眼，并設(shè)計(jì)采用水力膨脹錨桿對(duì)切眼頂板進(jìn)行支護(hù)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，對(duì)切眼圍巖位移監(jiān)測(cè)的30 d內(nèi)，頂?shù)装逑鄬?duì)移近量最大值平均約為89 mm，兩幫相對(duì)移近量最大值平均約為95 mm，切眼圍巖變形有效控制在合理的范圍內(nèi)，取得很好的支護(hù)效果。