孫文光

(山西汾西礦業(yè)集團(tuán) 柳灣煤礦,山西 孝義 032300)

當(dāng)?shù)V井回采煤層為近距離煤層群時(shí),上覆煤層采掘活動(dòng)會(huì)給下部煤層開采帶來一定影響,如導(dǎo)致下覆煤層頂板破碎;同時(shí)上覆煤層開采遺留的保護(hù)煤柱也會(huì)導(dǎo)致局部應(yīng)力集中,影響下覆煤層的采掘活動(dòng)[1-3]。近距離煤層群開采下覆煤層回采巷道掘進(jìn)期間往往面臨有頂板破碎、層間距過小等問題,為此眾多的學(xué)者對(duì)近距離煤層群開采,采空區(qū)下回采巷道掘進(jìn)及支護(hù)技術(shù)展開研究,其中孟慶妮[4]以平煤六礦22310工作面回采巷道支護(hù)為工程背景,針對(duì)采空區(qū)下巷道支護(hù)面臨的埋深大、頂板破碎等問題,提出綜合采用錨網(wǎng)+桁架支護(hù)方式,實(shí)現(xiàn)了對(duì)頂板變形的有效控制;谷攀等[5]使用理論計(jì)算,對(duì)采空區(qū)遺煤煤柱底板應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析,并研討煤柱下方巷道頂板變形特征及破壞機(jī)理,提出通過錨網(wǎng)索+錨注+釋壓聯(lián)合支護(hù)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了圍巖變形有效控制,為煤炭回采創(chuàng)造良好條件。本文結(jié)合以往研究成果,以山西某礦51101運(yùn)輸巷掘進(jìn)為工程背景,依據(jù)現(xiàn)場條件提出巷道圍巖支護(hù)方案并進(jìn)行工程應(yīng)用,取得了較好的圍巖控制效果。

1 工程概況

山西某礦51101綜采工作面為11號(hào)煤層的首采面,采面東側(cè)為采區(qū)集中運(yùn)輸、通風(fēng)等巷道,其余三側(cè)均為實(shí)體煤。51101運(yùn)輸巷沿著11號(hào)煤層底板掘進(jìn),巷道設(shè)計(jì)掘進(jìn)長度為1 980 m,矩形斷面,采用綜掘機(jī)掘進(jìn)。11號(hào)煤層厚度均值2.31 m,傾角3～5°、埋深875 m,頂?shù)装鍘r性以粉砂巖、砂質(zhì)泥巖等為主。5號(hào)煤層與上覆9號(hào)煤層的層間距在0.7～8.92 m之間,均值為3.89 m,層間巖性以砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖以及粉砂巖等為主。9號(hào)煤層厚度均值2.1 m,賦存較為穩(wěn)定,傾角6°.51101綜采工作面上覆為50901及50903采面的采空區(qū),采面回采完畢已超過5 a,預(yù)計(jì)采空區(qū)內(nèi)破碎巖體壓實(shí)程度較高。

51101運(yùn)輸巷位于50901及50903采空區(qū)下,預(yù)計(jì)巷道掘進(jìn)期間會(huì)面臨頂板破碎、圍巖變形量大等問題,因此需要依據(jù)現(xiàn)場情況針對(duì)性提出圍巖支護(hù)方案,以便實(shí)現(xiàn)巷道圍巖變形有效控制。

2 51101運(yùn)輸巷圍巖支護(hù)影響因素分析

2.1 上覆9號(hào)煤層采動(dòng)影響

在采動(dòng)壓力影響下9號(hào)煤層開采期間,煤層底板會(huì)產(chǎn)生大量的裂隙,直接導(dǎo)致煤層頂板完整性以及強(qiáng)度大幅降低。具體9號(hào)煤層底板破壞深度可通過公式(1)計(jì)算[6]:

(1)

式中:H1為9號(hào)煤層回采后底板破壞深度,m;M為9號(hào)煤層開采高度,取2.1 m;k為應(yīng)力集中系數(shù),取2.1;γ為覆巖容重,取2 500 N/m3;h為9號(hào)煤層埋深,取860 m;C為9號(hào)煤層內(nèi)聚力,取1 MPa;φ為9號(hào)煤層內(nèi)摩擦角,取22°;f為9號(hào)煤層與底板摩擦系數(shù),f=tanφ=0.404;φf為底板巖體內(nèi)摩擦角,取40°;S為三軸應(yīng)力系數(shù),S=(1+sinφ)/ (1-sinφ)=2.20.將上述參數(shù)帶入到公式(1)即可求得H1=15.2 m.

使用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)9號(hào)煤層回采后底板破壞深度進(jìn)行計(jì)算,具體表達(dá)式為:

H2=0.166 5α+0.008 5h+0.107 9L-4.361 2

(2)

式中:α為9號(hào)煤層傾角,取6°;h為9號(hào)煤層埋深,取860 m;L為采面斜長,取230 m.將上述參數(shù)帶入公式(2)即可求得H2=28.7 m.

通過上述理論計(jì)算分析得出,9號(hào)煤層開采后底板破壞深度在15.2～28.7 m,而11號(hào)煤層與9號(hào)煤層層間距在0.7～8.92 m,層間距遠(yuǎn)小于9號(hào)煤層開采引起的底板破壞深度,導(dǎo)致11號(hào)煤層頂?shù)装寮懊簩幼陨砹严栋l(fā)育、破碎,給51101運(yùn)輸巷掘進(jìn)期間圍巖控制帶來影響。

2.2 其他影響因素

對(duì)51101運(yùn)輸巷上覆巖層取樣進(jìn)行力學(xué)測試,發(fā)現(xiàn)頂板的砂質(zhì)泥巖裂隙較為發(fā)育,巖體抗壓強(qiáng)度介于28.6～30.5 MPa; 細(xì)砂巖及粉砂巖均存在不同程度離層情況,局部位置類型發(fā)育、存在有破碎區(qū),巖體抗壓強(qiáng)度介于69.2～87.3 MPa.11號(hào)煤層抗壓強(qiáng)度為15.6～19.8 MPa、普氏系數(shù)f=1.2～2.7,屬于中硬煤層,但是受上覆9號(hào)煤層開采影響,煤體裂隙較為發(fā)育,局部較為松散。

上覆50901及50903采面形成的采空區(qū)存在有不同程度的積水,雖然在51101運(yùn)輸巷掘進(jìn)前即通過施工鉆孔進(jìn)行超前疏排,但是采空區(qū)內(nèi)積水已沿著采動(dòng)裂隙內(nèi)擴(kuò)散,從而弱化51101運(yùn)輸巷頂板巖層強(qiáng)度,對(duì)后續(xù)圍巖支護(hù)帶來不利影響。

3 圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 層間距小于5.1 m支護(hù)設(shè)計(jì)

依據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件以及巷道圍巖力學(xué)測試結(jié)果,提出通過動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法支護(hù)圍巖。具體組合采用工字鋼架棚、錨桿、錨索及金屬網(wǎng)支護(hù)圍巖。具體采用錨桿D22 mm、長1 500～2 200 mm,間排距為600～1 000 mm的全長錨固。巷幫采用的錨桿長度均為2 200 mm,除去外露長度等之外,有效長度控制在2 000 mm,巷幫錨桿布置4個(gè),按照800 mm×800 mm間排距布置,錨桿均垂直巷板壁布置。

頂板支護(hù)用錨桿根據(jù)11號(hào)層與9號(hào)層層間距確定,當(dāng)實(shí)際層間距超過2 200 mm時(shí),采用長度2 200 mm錨桿支護(hù);實(shí)際層間距在1 500～2 200 mm間時(shí)采用長度1 500 mm錨桿支護(hù);當(dāng)實(shí)際層間距在1 500 mm以內(nèi)時(shí)則不使用錨桿支護(hù),僅采用密集鋼架棚+金屬網(wǎng)支護(hù),架棚布置棚距為800 mm.具體11號(hào)層與9號(hào)層層間距在1 500 mm以上時(shí)巷道支護(hù)斷面如圖1所示,頂板布置的鋼架棚間距調(diào)整至1 200 mm,錨桿布置間排距為600 mm×800 mm;錨桿采用W鋼帶連接。

圖1 錨桿+架棚支護(hù)示意(單位:mm)

3.2 層間距大于5.1 m支護(hù)設(shè)計(jì)

依據(jù)51101運(yùn)輸巷現(xiàn)場地質(zhì)條件,頂板支護(hù)選用1×7股鋼絞線錨索,由于11號(hào)煤層與9號(hào)煤層層間距會(huì)出現(xiàn)變化,因此錨索長度依據(jù)下述方式確定:頂板布置的錨索主要起到懸吊作用,錨索上覆錨固端布置在穩(wěn)定巖層中,以便增強(qiáng)錨索錨固區(qū)壓縮拱穩(wěn)定性;依據(jù)懸吊理論,當(dāng)巷道頂板存在有穩(wěn)定巖層時(shí),錨索在穩(wěn)定巖層中有效錨固長度應(yīng)在1 500 mm以上;而當(dāng)頂板為巖層較為破碎時(shí),錨索長度應(yīng)能確保自然平衡拱內(nèi)有足夠錨固長度。由于51101運(yùn)輸巷頂板在9號(hào)煤層采動(dòng)作用下裂隙發(fā)育、較為破碎,因此錨索長度依據(jù)極限自穩(wěn)平衡拱確定,具體表達(dá)公式為:

LMS≥h+L1+L2

(3)

式中:LMS為錨索長度,m;h為極限自穩(wěn)平衡拱高度,m;L1、L2分別為錨索錨固段、外露端長度,取值分別為0.15～0.25 m、1.5～1.8 m.

極限自穩(wěn)平衡拱高度h可通過公式(4)計(jì)算[7]:

(4)

式中:b0為巷道掘進(jìn)寬度,取4.5 m;h0為巷道掘進(jìn)高度,取3.15 m;σt為巷道頂板巖層抗壓強(qiáng)度,取3 MPa;φd為頂板巖體內(nèi)摩擦角,取32.77°;P0為頂板壓力,取20 MPa.將上述參數(shù)帶入公式(4)即可求得h=3.26 m.

則頂板錨索LMS≥h+L1+L2=3.26 m+0.15 m+1.5 m=4.91 m.

結(jié)合煤礦井下錨索現(xiàn)狀,選用的錨索長度控制在4.9～7.3 m,頂板巖層厚度適當(dāng)大于錨索長度可提高錨索懸吊效果,因此當(dāng)11號(hào)層與9號(hào)層層間距超過5.1 m后方采用錨索進(jìn)行支護(hù)。具體層間距超過5.1 m后巷道圍巖支護(hù)斷面如圖2所示。

圖2 錨網(wǎng)索支護(hù)示意(單位:mm)

由于頂板布置有錨索進(jìn)行懸吊,因此適當(dāng)增加錨桿布置排距,將頂錨桿間排距調(diào)整至800 mm×800 mm同時(shí)取消鋼架棚,頂板按照1 600 mm×1 600 mm間排距布置錨索,錨索長度依據(jù)頂板厚度變化而調(diào)整。為提高巷幫圍巖控制效果,在巷道兩排錨桿間按照1 600 mm×1 600 mm間排距布置錨索,巷幫錨索規(guī)格均為D18.6 mm×4 800 mm.

4 結(jié) 語

依據(jù)51101運(yùn)輸巷現(xiàn)場條件,采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)法以及理論分析法對(duì)近距離煤層群開采采空區(qū)下巷道圍巖支護(hù)方案進(jìn)行設(shè)計(jì),具體采用的支護(hù)方式為:當(dāng)51101運(yùn)輸巷頂板與上覆采空區(qū)間距在1.5 m以內(nèi)時(shí),采用密集鋼架棚+金屬網(wǎng)支護(hù)方式,架棚間距設(shè)計(jì)為800 mm;當(dāng)頂板與上覆采空區(qū)間距在1.5～5.1 m時(shí),則采用錨桿+架棚+金屬網(wǎng)支護(hù)方式。

其中頂板與采空區(qū)間距在1.5～2.2 m范圍內(nèi)頂錨桿長度與層間距保持一致,頂板與采空區(qū)內(nèi)間距在2.2～5.1 m時(shí)則頂錨桿長度為2.2 m;當(dāng)頂板與上覆采空區(qū)間距超過5.1 m時(shí),則在頂板及巷幫上采用錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng),頂錨索長度控制在4.9～7.3 m、巷幫錨索長度為4.8 m,由于錨網(wǎng)索支護(hù)強(qiáng)度較高,為降低支護(hù)工程量取消了鋼架棚支護(hù)。

對(duì)51101運(yùn)輸巷不同條件下圍巖支護(hù)方案進(jìn)行具體設(shè)計(jì)并進(jìn)行工程應(yīng)用,結(jié)果表明51101運(yùn)輸巷在掘進(jìn)期間巷道圍巖始終保持穩(wěn)定,頂板未有失穩(wěn)或者大變形等征兆,其中監(jiān)測得到頂板最大變形量為52 mm,表明采用的圍巖支護(hù)技術(shù)可滿足現(xiàn)場圍巖控制需要。