蔡迎超

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司方山木瓜煤礦，山西 方山 033000）

近距離煤層資源在我國較為常見，在正常開采過程中，先行開采煤層會嚴(yán)重影響后續(xù)煤層的開采，下煤層頂板受到上煤層開采影響出現(xiàn)不同程度的損傷，造成頂板巖石特性下降，出現(xiàn)頂板下沉甚至坍塌的事故[1-2]，所以對近距離下煤層巷道的圍巖變形及下煤層巷道支護(hù)十分重要[3-4]。本文以木瓜煤礦為研究背景，對不同內(nèi)錯距離下巷道圍巖變形情況進(jìn)行分析，給出了巷道的支護(hù)方案，并通過工業(yè)化試驗(yàn)驗(yàn)證了支護(hù)方案的可行性，為木瓜煤礦近距離煤層開采做出貢獻(xiàn)。

1 概況

木瓜煤礦位于山西省方山縣大武鎮(zhèn)木瓜村南，目前主采煤層為8#、9#煤層，兩層煤平均厚度分別為3.1 m 和2.7 m，煤層的平均間距為4.34 m。其中29204 工作面回采巷道布設(shè)8#煤層底板中，由于8#煤層的開采造成該回采巷道頂板破碎，控制難度較大。9#煤層頂?shù)装鍘r層分布表見表1。

表1 9#煤層頂?shù)装鍘r層分布表

2 數(shù)值模擬

為了更好地掌握上下煤層巷道相對位置關(guān)系下的圍巖變形情況，進(jìn)行模擬研究。首先進(jìn)行模型的建立，根據(jù)地質(zhì)情況利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立110 m×45 m×5 m的模型，對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為提升計(jì)算速度，對模型進(jìn)行適當(dāng)粗劃分，對模型巖層的物理參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，選用摩爾-庫倫模型為本構(gòu)模型，完成模型建立。確定3 種模擬方案，分別為上下煤層巷道內(nèi)錯距離10 m、20 m、30 m，進(jìn)行模擬計(jì)算，模擬結(jié)果云圖如圖1。

由圖1 分析可知，當(dāng)下層煤的巷道與上煤層回采巷道內(nèi)錯距離為10 m 時，下煤層回采巷道整體處于應(yīng)力降低區(qū)范圍內(nèi)，掘巷后巷道的頂?shù)装寮皟蓭偷拇怪睉?yīng)力向著巷道兩側(cè)深處煤巖轉(zhuǎn)移，此時巷道圍巖的整體應(yīng)力處于較低水平，垂直應(yīng)力最大值不超過2.0 MPa。當(dāng)下煤層巷道布置與上煤層回采巷道內(nèi)錯距離為20 m 時，下煤層回采巷道圍巖應(yīng)力處于應(yīng)力降低區(qū)與應(yīng)力恢復(fù)區(qū)交界位置，此時受到掘巷的應(yīng)力擾動，在巷道靠著原巖應(yīng)力恢復(fù)區(qū)的煤幫受力大于應(yīng)力降低區(qū)煤幫，在應(yīng)力恢復(fù)區(qū)位置最大垂直應(yīng)力為8.92 MPa，而在應(yīng)力降低區(qū)附近垂直應(yīng)力不超過2.0 MPa。當(dāng)內(nèi)錯距離為30 m 時，下煤層回采巷道處于采空區(qū)矸石支承影響區(qū)范圍內(nèi)，此時掘巷前的圍巖應(yīng)力大于原巖應(yīng)力，掘巷后的兩幫煤體應(yīng)力升高較為明顯，最大應(yīng)力為4.67 MPa，在巷道兩幫側(cè)的底板應(yīng)力增加漲幅較小。綜上所述，當(dāng)下煤層回采巷道與上回采巷道的內(nèi)錯距離設(shè)定為10 m 時，下煤層回采巷道處于應(yīng)力降低區(qū)，巷道穩(wěn)定性較佳，對于后期支護(hù)較為有利。

圖1 不同內(nèi)錯距離下巷道應(yīng)力云圖

3 支護(hù)設(shè)計(jì)及工業(yè)化試驗(yàn)

3.1 支護(hù)設(shè)計(jì)

進(jìn)行巷道圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)時，考慮到煤層的平均間距為4.35 m，由于上煤層開采使得下煤層巷道圍巖破碎嚴(yán)重，所以在進(jìn)行支護(hù)方案設(shè)計(jì)時需要考慮如下因素：（1）由于下煤層頂板變形嚴(yán)重，下煤層頂板難形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，所以采用錨桿錨索主動支護(hù)，發(fā)揮頂板殘余強(qiáng)度，降低頂板片幫現(xiàn)象；（2）增加巷道前期支護(hù)強(qiáng)度，避免掘巷過程中出現(xiàn)頂板事故。

根據(jù)支護(hù)原則設(shè)計(jì)支護(hù)方案，整體巷道支護(hù)方案為錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)。錨桿選用Ф22 mm×1800 mm 的高強(qiáng)度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，頂部錨桿間排距為800 mm×800 mm，幫錨桿間排距為750 mm×800 mm，頂板錨桿預(yù)緊力矩為240 N.m，幫錨桿的預(yù)緊力矩為200 N.m；錨索選用型號Ф21.6 mm×3500 mm 的高強(qiáng)度鋼絞線，錨索間排距為1200 mm×1500 mm。同時，在巷道頂板采用Ф6 mm 的金屬網(wǎng)進(jìn)行護(hù)表，網(wǎng)格尺寸為100 mm×100 mm，每兩個網(wǎng)孔間選用16#鐵絲進(jìn)行綁扎，在金屬網(wǎng)鋪設(shè)完成后選用W 鋼帶對巷道的頂板進(jìn)行固定，鋼帶型號為BHW-280-3.0-5.7，鋼帶寬度為280 mm，厚度為3 mm，長度為5.7 m。錨桿錨索托盤分別為150 mm×150 mm×8 mm 和300 mm×300 mm×20 mm 托盤。錨桿采用MSZ23/60及MSK23/60 樹脂藥卷進(jìn)行錨固，每根錨桿各用兩種樹脂藥卷一只，每根錨索用3 支MSZ23/60 和1支MSK23/60樹脂藥卷。具體巷道支護(hù)斷面圖如圖2。

圖2 巷道支護(hù)斷面圖（mm）

3.2 工業(yè)化試驗(yàn)

為驗(yàn)證29204 工作面回采巷道支護(hù)效果，對巷道的表面位移進(jìn)行監(jiān)測，選定軌道順槽150 m 的范圍為試驗(yàn)巷，將試驗(yàn)巷分為三段，分別為首段、中段、末段，分別在三段的中間布設(shè)測站，檢測巷道的表面位移。測站布置示意圖如圖3。

圖3 測站布置示意圖

測站斷面頂面中點(diǎn)設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，固定時間間隔監(jiān)測，總共監(jiān)測30 d。巷道頂板在不同測站頂板下沉量曲線如圖4。

圖4 不同測站下頂板下沉曲線

由圖4 可知，試驗(yàn)巷的三段變形曲線中頂板的下沉量隨著時間的增長，巷道頂板下沉量呈現(xiàn)逐步增長的趨勢。在巷道掘進(jìn)初期巷道頂板下沉變形量快速增大，隨著掘進(jìn)的不斷推進(jìn)，變化速率逐步減緩，變形量逐步趨于穩(wěn)定。在巷道掘進(jìn)10 d 前，巷道頂板下沉量快速增大，此時巷道頂板下沉量達(dá)到最終穩(wěn)定下沉量的70%以上。在巷道掘進(jìn)15 d 時，頂板下沉量趨于穩(wěn)定，三段試驗(yàn)巷的頂板下沉量區(qū)別不大，均為106 mm。巷道整體變形量較小，圍巖控制較好。

4 結(jié)論

（1）通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)當(dāng)下煤層回采巷道與上煤層回采巷道的內(nèi)錯距離設(shè)定為10 m 時，下煤層回采巷道處于應(yīng)力降低區(qū)，便于巷道控制。

（2）通過模擬結(jié)合實(shí)際地質(zhì)情況，給出了錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+W 鋼帶聯(lián)合支護(hù)方案。

（3）頂板下沉量隨著時間的增加呈現(xiàn)逐步增大，在15 d 達(dá)到穩(wěn)定時，頂板下沉量為106 mm，控制效果較佳。