黃 林

（山西壽陽(yáng)潞陽(yáng)長(zhǎng)榆河煤業(yè)有限公司， 山西 晉中 045414）

引言

長(zhǎng)榆河煤礦現(xiàn)開(kāi)采6～15 號(hào)下煤層，井田面積6.562 4 km2，礦井年產(chǎn)量90 萬(wàn)t，采用下行開(kāi)采。目前15 號(hào)煤東翼采區(qū)資源接近枯竭，急需規(guī)劃開(kāi)采東翼采區(qū)15 號(hào)下煤資源。由于15 號(hào)煤與15 號(hào)下煤層的層間距在0.5～10.6 m，平均4.34 m，屬近距離煤層開(kāi)采。在近距離煤層開(kāi)采時(shí)，下部煤層會(huì)呈現(xiàn)一些新的礦山壓力特點(diǎn)。現(xiàn)有的近距離煤層開(kāi)采的成果都是針對(duì)煤層間距相對(duì)較大的情況，而對(duì)于這種間距特別小的并不能完全適用[1-3]。因此，深入、系統(tǒng)地研究長(zhǎng)榆河煤礦近距離煤層開(kāi)采的圍巖控制理論和相關(guān)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)榆河煤礦15 號(hào)下煤層安全、高效開(kāi)采的首要前提。

1 遺留煤柱及其底板巖層應(yīng)力分布數(shù)值模擬分析

受上覆遺留煤柱在底板巖層中傳遞支承應(yīng)力的影響，下煤層回采巷道會(huì)發(fā)生不同程度的失穩(wěn)破壞，突出表現(xiàn)為下煤層工作面回采巷道頂板大面積破碎并形成“網(wǎng)兜”狀下沉、兩幫移近量較大[4-6]。根據(jù)煤層的開(kāi)采實(shí)際情況，采用FLAC3D 建模[7-10]，幾何模型如圖1 所示。模型在垂直方向高度為125 m，水平方向上長(zhǎng)度為600 m，15 號(hào)煤層厚度為2.62 m，15 號(hào)下煤層厚度2.65 m，兩煤層間距為5 m。

圖1 計(jì)算模型示意圖

在15 號(hào)煤層開(kāi)采時(shí)會(huì)留有煤柱，煤柱在受到上覆巖層壓力時(shí)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中問(wèn)題。這里的煤柱寬度為25 m。圖2 給出了回采完成后上覆巖層的垂直應(yīng)力分布和水平應(yīng)力分布云圖。

圖2 15 號(hào)煤層及底板巖層應(yīng)力分布圖

由圖2 可以發(fā)現(xiàn)，在15105 工作面回采后，遺留煤柱在采空區(qū)上覆巖層的作用下，產(chǎn)生了較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。與此同時(shí)，還可以發(fā)現(xiàn)，煤柱承受的載荷還向底板傳遞，而在采空區(qū)以下的底板處于卸壓狀態(tài)。

2 下煤層巷道合理布置位置及圍巖控制

2.1 下煤層巷道合理位置分析

由以上數(shù)值模擬可知，15 號(hào)下煤層開(kāi)采時(shí)，會(huì)受到15 號(hào)非常開(kāi)采時(shí)遺留煤柱的應(yīng)力傳遞的影響。這在一定程度上影響15 號(hào)下煤層開(kāi)采時(shí)兩巷的穩(wěn)定性。因此，為了保證巷道的穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)安全開(kāi)采，必須要使巷道的變形處于安全范圍以內(nèi)，這就要求合理地選擇回采巷道的位置。

根據(jù)長(zhǎng)榆河煤礦地質(zhì)條件及下部煤層回采巷道布置原則，15 號(hào)下煤層回采時(shí)兩巷應(yīng)該布置在遺留煤柱形成的應(yīng)力升高區(qū)范圍以外。為了確定這個(gè)最佳的距離，對(duì)巷道和遺留煤柱之前的距離進(jìn)行模擬，分析不同距離條件下巷道的變形情況，從而確定最佳的巷道位置。

2.2 下煤層回采巷道合理位置的確定

為確定15 號(hào)煤下102 工作面回采巷道與遺留煤柱的合理錯(cuò)距，現(xiàn)提出以下5 種布置方案。每種方案的區(qū)別在于巷道與上覆遺留煤柱的水平距離不同。方案一到方案五與煤柱的水平距離分別為5 m、10 m、15 m、20 m 以及25 m。采用FLAC3D 在本文建立的模型基礎(chǔ)上開(kāi)挖巷道進(jìn)行模擬，其中巷道的尺寸為4.1m×3.0m。不同錯(cuò)距位置巷道圍巖的塑性區(qū)分布如圖3 所示。

圖3 巷道不同布置方案圍巖塑性分布

由圖3 塑性分布可以發(fā)現(xiàn)，隨著巷道與遺留煤柱的水平距離增加，巷道的塑性區(qū)范圍呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。例如，方案一的兩幫塑性區(qū)域范圍為2.5~3 m，而方案五的兩幫塑性區(qū)范圍為1.5 m 以內(nèi)。塑性區(qū)的范圍越小，說(shuō)明巷道承受的應(yīng)力越小，巷道的穩(wěn)定性也就越好。通常情況下，塑性區(qū)的深度在1.5 m 以下比較合適。因此，方案四和方案五可以作為巷道布置的最佳選擇。也就是說(shuō)，回采巷道與遺留煤柱的最小水平距離為20 m。

為了更詳細(xì)地對(duì)比巷道的變形破壞情況，對(duì)巷道的變形情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。取巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭椭行狞c(diǎn)位移變化作為分析量。圖4 給出了兩種統(tǒng)計(jì)量隨著回采巷道與遺留煤柱的距離變化而變化的趨勢(shì)。

由圖4 可以發(fā)現(xiàn)，隨著與煤柱邊緣錯(cuò)距的增加，巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平慷汲尸F(xiàn)減小的趨勢(shì)。在方案一時(shí)，兩種方案的巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平糠謩e為207 mm、235 mm。而在方案四和方案五時(shí)，二者分別為65 mm、86 mm，與方案一相比減小了31.4%、63.4%。此外，還可以發(fā)現(xiàn)，在方案四和方案五時(shí)，這兩種統(tǒng)計(jì)量都趨于穩(wěn)定。因此，考慮到巷道穩(wěn)定性和煤炭資源采出率兩個(gè)因素，方案四是下部煤層回采巷道的最優(yōu)布置方式，即15 號(hào)下部煤層102 工作面回采巷道與遺留煤柱邊緣的最優(yōu)錯(cuò)距為20 m。

圖4 回采巷道與煤柱不同錯(cuò)距圍巖變形量

3 下煤層工作面巷道支護(hù)參數(shù)

根據(jù)礦方提供的地質(zhì)資料以及在15 號(hào)煤層工作面順槽進(jìn)行底板打鉆探煤結(jié)果顯示，15 號(hào)煤層與15號(hào)下煤層的層間距離為0.5～16 m，平均7.32 m，兩層煤之間主要為炭質(zhì)泥巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖。根據(jù)礦方工作面接替計(jì)劃，15 下103 工作面開(kāi)始進(jìn)行沿空留巷，即15 下103 回風(fēng)順槽進(jìn)行留巷，15 下105 運(yùn)輸順槽進(jìn)行留巷，15 下103 運(yùn)輸順槽、15 下105 運(yùn)輸順槽與15 下103 回風(fēng)順槽支護(hù)形式均不同[11-12]，具體如下：

1）當(dāng)層間距＜2.5 m 時(shí)，采用11 號(hào)工字鋼棚+斜撐+金屬網(wǎng)支護(hù)，棚間距600 mm，加斜撐。工字鋼棚梁采用11 號(hào)礦用工字鋼制作，長(zhǎng)度3 900 mm。棚腿采用11 號(hào)礦用工字鋼制作，長(zhǎng)度3 200 mm。金屬網(wǎng)采用6 號(hào)鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格為50 mm×50 mm，頂網(wǎng)選擇4 200 mm×1 100 mm 片網(wǎng)，幫網(wǎng)為2 700 mm×1 100 mm。頂（幫）網(wǎng)進(jìn)行對(duì)接，利用16 號(hào)鉛絲雙絲雙扣、孔孔相連。

2）當(dāng)層間距在2.5～8 m 時(shí)，采用11 號(hào)工字鋼棚+錨桿+斜撐+金屬網(wǎng)支護(hù)，棚間距900 mm，加斜撐。頂板采用Φ22 m×2 400 m 左旋螺紋鋼筋錨桿，托盤為150 mm×150 mm×10 mm 碟形托盤；頂錨桿間排距900 mm、900 mm，每排布置5 根錨桿，兩邊頂角錨桿安設(shè)角度為與垂線呈20°；每根錨桿采用樹(shù)脂錨固劑CK2335、Z2360 各1 根。錨桿吊W 型高強(qiáng)度鋼帶及金屬網(wǎng)護(hù)表，W 型鋼帶為3 900 mm×280 mm×5 mm，金屬網(wǎng)為50 mm×50 mm 的6 號(hào)鋼筋網(wǎng)，頂網(wǎng)為4 200 mm×1 100 mm 片網(wǎng)；幫網(wǎng)為2 700 mm×1 100 mm。頂（幫）網(wǎng)進(jìn)行對(duì)接，利用16 號(hào)鉛絲雙絲雙扣、孔孔相連。

3）當(dāng)層間距＞8 m 時(shí)，巷道為矩形巷道，錨桿+金屬網(wǎng)+ 鋼筋梁+ 錨索補(bǔ)強(qiáng)聯(lián)合支護(hù)。頂板采用Φ22 m×2 400 m 左旋螺紋鋼筋錨桿，托盤為150 mm×150 mm×10 mm 碟形托盤；兩邊頂角安設(shè)角度為與垂線呈20°；頂錨桿間排距800 mm、900 mm，每排6 根；每根錨桿采用樹(shù)脂錨固劑CK2335、Z2360 各1 根錨固；錨桿吊W 型高強(qiáng)度鋼帶及金屬網(wǎng)護(hù)表，W型鋼帶為4 300 mm×280 mm×5 mm。頂錨索采用Φ17.8 mm×6 300 mm 低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長(zhǎng)度不小于6 300 mm，頂錨索采用“三二三二”布置，間排距1 400 mm、900 mm/1 800 mm；錨索吊W 型高強(qiáng)度鋼帶，W 型鋼帶為3 100 mm×330 mm×6 mm；采用樹(shù)脂錨固劑為（CK2335×1+Z2360×2）樹(shù)脂藥卷錨固，錨索托盤為300 mm×300 mm×16 mm 鋼板。巷幫采用Φ22 mm×2 000 mm 左旋螺紋鋼筋錨桿，錨桿托盤為150 mm×150 mm×10 mm 碟形托盤，間排距800 mm、900 mm，每排4 根。幫頂角錨桿距頂板400 mm與水平線呈15°仰角打設(shè)，幫底角錨索距底板500 mm 與水平線呈10°仰角打設(shè)，其余均垂直幫部打設(shè)。幫鋼筋梁為Φ14 mm 鋼筋焊接，寬為100 mm、長(zhǎng)為2 700 mm。金屬網(wǎng)采用50 mm×50 mm 的6 號(hào)鋼筋網(wǎng)，頂網(wǎng)片規(guī)格4 500 mm×1 100 mm，幫部網(wǎng)片規(guī)格2 700 mm×1 100 mm。頂（幫）網(wǎng)進(jìn)行對(duì)接，利用16 號(hào)鉛絲雙絲雙扣、孔孔相連。

4 結(jié)語(yǔ)

為了實(shí)現(xiàn)近距離煤層的安全開(kāi)采，對(duì)巷道支護(hù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，采用了數(shù)值模擬方法。在巷道間距不同時(shí)，采用不同的支護(hù)形式。當(dāng)層間距＜2.5 m時(shí)，采用11 號(hào)工字鋼棚+斜撐+金屬網(wǎng)支護(hù)；當(dāng)層間距在2.5～8 m 時(shí)，采用11 號(hào)工字鋼棚+錨桿+斜撐+金屬網(wǎng)支護(hù)；當(dāng)層間距＞8 m 時(shí)，巷道為矩形巷道，采用錨桿+金屬網(wǎng)+鋼筋梁+錨索補(bǔ)強(qiáng)聯(lián)合支護(hù)。