馬金海

（山西省大同煤礦集團(tuán)馬道頭煤業(yè)有限公司， 山西 大同 037100）

引言

近些年來，隨著采煤技術(shù)、采煤工藝以及綜采設(shè)備自動化水平的不斷提升，工作面采煤效率不斷提高。目前我國淺部及易開采的煤層已所剩無幾，大部分地區(qū)的煤層埋藏較深且地質(zhì)條件相對復(fù)雜，因而對其開采技術(shù)和支護(hù)水平提出了更高的要求。尤其是煤層傾角變化大、巷道斷面形狀不同導(dǎo)致工作面的支護(hù)難度較大，支護(hù)效果不佳嚴(yán)重制約了該類型工作面的開采進(jìn)度[1]。因此，需對傾角變化煤層的巷道支護(hù)進(jìn)行研究，為該類型煤礦的安全生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

1 工程概況

本文以某礦11853工作面為研究對象，該工作面的地面標(biāo)高為31.5 m，綜采工作面位于地下530～710 m之間，工作面地表為農(nóng)田溝渠。該工作面煤層厚度為0.25～3.7 m，平均煤層厚度為2.5 m；煤層傾角范圍為5°～30°，平均傾角為17°，屬于傾角變化煤層，而且在煤層西南部的傾角變化較大，平均傾角為19°，其拐點位置傾角為13°。該工作面煤層的頂?shù)装迩闆r如表1所示。

分析表1可知，該煤層所處工作面的結(jié)構(gòu)相對簡單；工作面水源為頂板、底板砂巖水和冷凝水，說明工作面煤層在掘進(jìn)過程中涌水量變化不大。經(jīng)監(jiān)測可知，工作面的正常涌水量為5 m3/min。值得注意的是，在該工作面的底部儲水量相對豐富[2]。因此，在掘進(jìn)和開采過程中應(yīng)加強對工作面底部水的疏排工作。

為了確保傾角變化煤層的支護(hù)效果，需對不同煤層傾角下巷道的變形和破壞規(guī)律進(jìn)行研究。本文采用數(shù)值模擬的方法對不同煤層傾角下的情況進(jìn)行仿真分析。

表1 工作面頂?shù)装迩闆r

2 不同煤層傾角下巷道變形及破壞規(guī)律的分析

2.1 仿真模型的設(shè)計

基于FLAC軟件對不同煤層傾角下巷道的變形和破壞規(guī)律進(jìn)行仿真分析，所分析的煤層傾角包括0°、10°、20°、30°以及40°，各個模型具有以下特點：

1）上述仿真模型均是基于莫爾-庫倫模型所搭建的，其物理模型均為彈塑性模型；

2）在仿真過程中忽略裂隙和軟弱夾層對煤層頂?shù)装鍙姸鹊挠绊懀?/p>

3）設(shè)計各個傾角工作面的巷道為正方形形狀的巷道，其水平寬度為80 m，垂直寬度為80 m；

4）基于煤層工作面實際情況及相關(guān)理論基礎(chǔ)，為各個模型添加載荷。其中，模型上邊界的載荷為覆巖的自重，下邊界載荷為垂直位移的載荷[3]。

2.2 仿真結(jié)果的分析

基于上述五個模型對不同傾角下巷道的變形量和破壞狀態(tài)進(jìn)行仿真分析，總結(jié)出如下結(jié)論：

2.2.1 不同煤層傾角下圍巖應(yīng)力的變化規(guī)律

1）隨著煤層傾角的增加，巷道上幫的水平和垂直應(yīng)力逐漸向巷道上方集中；

2）巷道頂?shù)装宓乃綉?yīng)力變化趨勢與煤層傾角變化無關(guān)，其水平應(yīng)力始終呈現(xiàn)拱形的變化趨勢，且水平應(yīng)力的最小值為原巖應(yīng)力；

3）巷道頂?shù)装宓拇怪睉?yīng)力變化趨勢同樣與煤層傾角變化無關(guān)，其垂直應(yīng)力始終呈現(xiàn)拱形的變化趨勢，且水平應(yīng)力的最小值為原巖應(yīng)力；

4）巷道頂板的垂直應(yīng)力在其距離頂板7.5 m處的位置為臨界點。當(dāng)距離頂板的距離小于7.5 m時，巷道頂板的垂直應(yīng)力增長較快；當(dāng)距離頂板的距離大于7.5 m時，巷道頂板的垂直應(yīng)力增加變緩。

2.2.2 不同煤層傾角下巷道圍巖位移的變化規(guī)律

工作面頂板的變形隨著傾角的增大而變小，底板的變形范圍隨著煤層傾角的增大而變小，底板底鼓量隨著煤層傾角的增大而增加，導(dǎo)致上幫的變形量大于下幫。因此，針對煤層傾角較大的情況，需加強對底板上幫的支護(hù)[4]。

3 傾角變化煤層的巷道支護(hù)及現(xiàn)場實測

3.1 傾角變化煤層的巷道支護(hù)

目前，應(yīng)用于工作面最為廣泛的支護(hù)方式為錨桿支護(hù)。因此，本工作面也采用錨桿支護(hù)，并根據(jù)煤層情況對其錨桿支護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，以達(dá)到最佳的支護(hù)效果。錨桿間距和錨桿的長度是錨桿支護(hù)的兩項主要參數(shù)，為確定錨桿間距和錨桿長度，本文基于“控制變量”的原則對不同錨桿間距和錨桿長度下工作面頂?shù)装逦灰频淖兓闆r進(jìn)行模擬分析。經(jīng)模擬分析可知：

在錨桿間距一定的情況下，隨著錨桿長度的增加工作面圍巖的變形量越??；在錨桿長度一定的情況下，隨著錨桿間距的減小工作面圍巖的變形量越小[5]。錨桿長度為2.2 m時是對圍巖變形控制的臨界點，即，當(dāng)錨桿長度小于2.2 m時，隨著錨桿長度的增加對圍巖變形的控制效果越好；當(dāng)錨桿長度大于2.2 m時，隨著錨桿長度的增加對圍巖變形的控制效果越差。因此，最佳錨桿長度為2.2 m。

確定錨桿長度后，經(jīng)模擬分析可知：當(dāng)錨桿間距大于0.8 m時，隨著錨桿間距的增大，其對圍巖變形的控制效果變差。因此，選擇錨桿間距為0.8 m。頂錨桿和幫錨桿的類型選擇無縱筋螺紋鋼錨桿。

錨桿參數(shù)確定后，對應(yīng)的頂板和兩幫的錨固參數(shù)如下：頂板和兩幫的錨固長度為1 359 mm；頂錨桿的預(yù)緊力不小于30 kN;幫錨桿的預(yù)緊力不小于20 kN；錨索間距為3.2 m，預(yù)緊力為65 kN。

3.2 巷道支護(hù)的現(xiàn)場實測

將本文所研究工作面的煤層按照3.1所示的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行支護(hù)后，在現(xiàn)場設(shè)立三個觀測點對其支護(hù)效果及礦壓進(jìn)行觀測。主要觀測巷道頂?shù)装宓奈灰屏浚唧w觀測結(jié)果如下：

1）巷道頂?shù)装宓淖畲笪灰屏繛?10 mm，兩幫的最大位移量為660 mm，最大底鼓量為23 mm，且工作面巷道圍巖的移近量主要發(fā)生于實時工作面前方的30 m范圍之內(nèi)；

2）工作面巷道兩幫的位移量明顯大于頂?shù)装宓奈灰屏浚蚁锏栏魈幬恢米冃嗡俣茸畲鬄樯蠋?，其次為下幫，而后為底板，最小變形速度位置為頂板?/p>

4 結(jié)論

近年來，我國埋藏淺、易于開采的煤層大部分已被開采，剩余尚未開采的煤層具有埋藏深、煤層傾角變化大等特點，導(dǎo)致傳統(tǒng)適用于普通煤層工作面的支護(hù)方式不再適用。為保證針對煤層傾角變化工作面的支護(hù)效果，深入對煤層傾角支護(hù)效果的理論分析和實踐應(yīng)用效果觀測，為今后更加惡劣、復(fù)雜工作面煤層的開采提供指導(dǎo)。