極近距離下位煤層開采巷道布置優化和支護技術研究

韓志敏

（同煤集團四臺礦，山西 大同 037003）

1 工程概況

大同煤礦集團有限責任公司四臺礦12#煤層的8215工作面即將進入準備階段，12#煤層均厚1.80m，煤層傾角0°～10°，平均為4°，工作面傾斜長度150m，走向長度1600m。12#上部為已經回采完畢的11#煤層，12#與11#煤層間距最小1.74m，最大3.98m，平均2.46m。8215工作面地面相對位置南部為拒墻煤礦，西部為碾盤溝聯營煤礦，東部為黃土坡煤礦，北為北辛窯煤礦。8215上覆有四臺礦11#煤層的8215工作面和8214工作面采空區，地面位置有廢棄小窯井筒。為了更加合理的確定8215工作面回采巷道的位置及支護方式，為工作面的安全開采提供保障，針對四臺礦12#煤層8215工作面具體的地質條件進行了相關研究。

表1 工作面頂底板巖性特征

2 上部煤層開采底板損傷數值模擬分析

為詳細了解四臺礦11#煤層開采對于下位12#煤層的具體影響，采用FLAC3D數值模擬軟件，以該礦的11#煤層8215和8214工作面回采為工程背景，研究分析11#煤層開采對于下部巖層的損壞情況。煤巖體采用摩爾—庫倫本構模型，模型尺寸長×寬×高=125×1×80m。11#煤層工作面采高3.5m，平均埋深為200m，12#煤層與11#煤層間距為2.5m。上位的11#煤層開挖后采用一次性換充填材料模擬采空區冒落矸石[1]，開挖示意圖及數值模擬模型如圖1所示。四臺礦11#煤層開采時工作面之間的區段煤柱寬度變化較大，煤柱寬度在5～30m之間，因此設計模擬方案為11#煤層8215和8214工作面之間煤柱寬度分別為5～25m之間變化，1m為一個梯度，進行11#煤層兩個工作面的回采。

圖1 模擬方案示意圖

圖2 11#煤層采動對于底板巖層的塑性破壞情況

不同煤柱寬度條件下11#煤層開采圍巖塑性區分布模擬結果如圖2所示，由于篇幅所限，僅展示典型的結果。根據模擬結果可知，11#煤層回采引起底板巖層的破壞形式以剪切破壞為主，塑性區存在明顯的兩層未發生破壞的巖層，研究表明為巖性較好的砂巖。采空區下方煤巖體破壞深度達35.6m，區段煤柱下方巖層的塑性破壞范圍較小，底板塑性區在空間上的形狀近似漏斗型，隨著煤柱寬度的增加，煤柱內及下方煤巖體的塑性變形范圍逐漸減小。當煤柱寬度小于8m時，煤柱完全進入塑性狀態，并且煤柱下砂巖出現明顯的破壞；當煤柱寬度為12m時，煤柱下方巖層完整性良好；當煤柱寬度大于12m時，煤柱內存在一定寬度的未破壞區域，煤柱下方煤巖體完整性良好。

3 極近距離下部煤層開采巷道圍巖控制原理及應用

近距離煤層下行開采，合理的巷道位置很大程度上取決于與上層采空區、保護煤柱的空間位置關系[2～3]。根據數值模擬結果可知，12#煤層由于11#煤層采動的影響，在11#煤層采空區下的煤巖體破碎嚴重，煤柱下煤巖體完整性良好。11#煤層8215工作面與8214工作面之間區段煤柱寬度為18m，因此將12#煤層的8215回風順槽布置在11#煤層煤柱下方，8215運輸順槽布置在采空區下方。根據模擬結果可知，采空區下的8215運輸順槽圍巖將破碎較為嚴重，而8215回風順槽圍巖完整性較好，因此設計采用不同的圍巖控制技術進行巷道的支護。

3.1 采空區下巷道圍巖控制

8215運輸順槽原設計斷面為矩形，尺寸寬×高=4.2×3.2m，將其斷面優化為梯形，梯形斷面頂板寬度減小為4.0m，減少采空區下巷道頂板的跨度，提高頂板的穩定性。采用全長錨固錨桿使巷道頂板形成一個整體性較好的錨固體，在肩角通過桁架支護技術形成楔形錨固區，構建一個頂板楔形加固區，并提高兩幫煤壁的支護強度達到減跨穩頂的目的[4]。

12#煤層8215運輸順槽為梯形斷面，巷道頂板凈寬度為4.0m，底板寬度為5.0m，采用錨架棚聯合支護。梯形棚采用11#工字鋼加工而成，頂梁長度為4.0m，棚腿長3.5m，棚腿下部焊接長寬為300mm的正方形鋼板，棚與棚間距為700mm。頂板采用Ф22×1400mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿配合鋼筋網、菱形金屬網、W型鋼帶聯合支護，每排布置五根，錨桿間排距為875×700mm，鋼帶尺寸為4200×210×3mm。兩幫采用Ф22×2000mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿配合菱形金屬網進行支護，錨桿間排距為800×700mm，靠近頂板的錨桿距離頂板400mm。錨桿錨固劑選擇凝結速度為快速和中速的樹脂藥卷，頂板和兩側幫壁錨桿采用藥劑為K2340、Z2360各一支。12#煤層8215運輸順槽詳細的支護參數如圖3所示。

圖3 8215運輸順槽支護詳情

3.2 煤柱下巷道支護方案及參數

12#煤層8215回風順槽斷面尺寸寬×高=4.2×3.2m，巷道布置在11#煤層8215與8214工作面之間的區段煤柱下方，根據數值模擬結果可知，巷道圍巖并不會由于11#煤層采動的影響嚴重破壞，其穩定性仍較好，因此設計采用常用的錨桿、錨索及鋼筋網、W型鋼帶聯合支護，頂板采用Ф22×2000mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為875×900mm，每排五根錨桿均垂直頂板安裝，每隔兩排錨桿布置一排錨索，錨索選用Ф21.6×8000mm的高強錨索，采用三花布置，間排距為2800×1800mm，頂板錨索錨固劑使用快速K2340一支和Z2360三支，錨桿采用錨固劑為K2340、Z2360各一支，頂板采用直徑為6.5mm的鋼筋網，網孔大小為100mm。兩幫錨桿型號與頂板相同，間排距為1600×900mm，距離頂板300mm，每隔一排錨桿布置一排Ф21.6×3000mm的高強錨索，兩側錨桿錨索交替布置，錨索間排距為1600×1800mm。12#煤層8215回風順槽支護詳情如圖4所示。

圖4 8215回風順槽支護方案

4 現場應用效果

為考察支護方案的圍巖控制效果，12#煤層8215運輸順槽和回風順槽掘進施工階段設立圍巖位移觀測點，監測成巷后圍巖的位移情況，整理結果如圖5所示。根據現場礦壓觀測結果可知，采空區下的8215運輸順槽成巷后兩幫最大移近量為50mm，頂底板最大移近量為45mm，煤柱下的8215回風順槽兩幫最大移近量為28mm，頂底板最大移近量為21mm，巷道圍巖整體上穩定性很好，取得了良好的支護效果。

5 結 論

根據四臺礦12#煤層8215工作面具體的地質條件，通過數值模擬及理論分析得知，11#煤層開采對于底板巖層的擾動破壞深度約為35.6m，采空區下的12#煤層煤巖體發生明顯的塑性破壞；煤柱寬度小于12m時，煤柱下方煤巖體存在塑性破壞區；煤柱寬度大于12m時，下方煤巖體較完整。據此設計采空區下12#煤層8215運輸順槽采用錨桿架棚聯合支護，煤柱下8215回風順槽采用傳統的錨網索支護，巷道掘進過程中進行圍巖位移監測，監測結果表明，巷道圍巖變形有效的控制在合理的范圍內，取得良好的應用效果。

圖5 圍巖位移監測結果