近距離保護(hù)層開(kāi)采下礦山巷道布置及支護(hù)技術(shù)研究

李子琛

（龍礦集團(tuán)大恒煤業(yè)，山西 朔州 036002）

本文以寧武礦為研究對(duì)象，礦田總面積約為3000平方千米，地理坐標(biāo)為東經(jīng)112°28′11″～112°30′54″，北緯39°26′06″～39°28′11″。石炭二疊紀(jì)近海型礦層厚度達(dá)到180m，包括上石炭統(tǒng)本溪組、太原組和下二疊統(tǒng)山西組，由碎屑巖、泥質(zhì)巖夾石灰?guī)r組成。含礦地層達(dá)到10余層，主要位于太原組內(nèi)，其中可采礦層5層～8層，礦層總厚度20m～30m，從北往南變薄。隨著淺部礦產(chǎn)資源開(kāi)采完畢，急需向深部礦層進(jìn)行開(kāi)采，而在實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中面臨一些技術(shù)難題，近距離保護(hù)層開(kāi)采便是其中之一。為了安全進(jìn)行礦層的回采工作，同時(shí)提高采區(qū)回采率，對(duì)近距離保護(hù)層開(kāi)采巷道布置及支護(hù)參數(shù)進(jìn)行深入研究。

1 近距離保護(hù)層概述

近距離保護(hù)層的開(kāi)采順序有下行式和上行式兩種：一般情況下都采用下行開(kāi)采；在特定的地質(zhì)和開(kāi)采條件下，采用的上行式開(kāi)采順序時(shí)，其考慮的主要因素是下層的開(kāi)采不能影響上層正常的準(zhǔn)備和回采[1]。近距離保護(hù)層群下進(jìn)行采礦活動(dòng)，層間隔層的厚度越小，采掘時(shí)相互影響越大，特別是當(dāng)間隔層厚度很小時(shí)，下層巷道掘進(jìn)前間隔層的完整性已經(jīng)受到上層采動(dòng)損傷破壞，間隔層的性質(zhì)己受到采空區(qū)水環(huán)境的影響。上層回采后直接頂冒落，老頂斷裂，區(qū)段礦柱造成的底板局部應(yīng)力集中，覆巖水下礦壓顯現(xiàn)的情況導(dǎo)致間隔層應(yīng)力環(huán)境和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，這些情況的出現(xiàn)使得下礦山巷道掘進(jìn)支護(hù)面臨許多問(wèn)題。

2 近距離保護(hù)層下礦山巷道位置選擇影響因素與確定方法

2.1 影響因素

礦柱用于支撐上覆圍巖和保護(hù)巷道的穩(wěn)定，礦柱的穩(wěn)定性對(duì)于上覆圍巖的控制至關(guān)重要，研究表明：礦柱在近距離礦層中是下部礦山巷道穩(wěn)定性的重要影響因素，礦柱寬度決定巷道受采動(dòng)影響的損傷程度。在進(jìn)行礦柱設(shè)計(jì)時(shí)需要注意以下幾個(gè)方面：①礦柱支承壓力，即礦柱承受的上部圍巖荷載；②礦柱的受力狀況，即礦柱所受荷載作用而在礦柱內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力特征；③礦柱自身的承載能力，即礦柱在保證自身穩(wěn)定情況下承受的最大荷載；④根據(jù)巷道重要性和工程因素而考慮的一定量的安全系數(shù)。

對(duì)于垂直和水平應(yīng)力，按照礦柱投影區(qū)域內(nèi)外大致可分為礦柱投影內(nèi)應(yīng)力升高區(qū)、礦柱投影外應(yīng)力升高區(qū)和應(yīng)力降低區(qū)。對(duì)于近距離保護(hù)層開(kāi)采下礦山回采巷道可供選擇的內(nèi)錯(cuò)、重疊、外錯(cuò)三種布置方式，巷道分別位于以上三個(gè)區(qū)域。根據(jù)下層回采巷道布置到應(yīng)力降低區(qū)有利于巷道維護(hù)的原則，以應(yīng)力降低區(qū)作為巷道布置的主要研究對(duì)象。對(duì)于礦柱投影區(qū)外的底板存在著應(yīng)力升高區(qū)和應(yīng)力降低區(qū)，為了確定巷道位置，我們需要確定應(yīng)力升高區(qū)與降低區(qū)的范圍，需要確定應(yīng)力降低區(qū)距離礦柱邊緣的最小距離和應(yīng)力降低區(qū)的劃分范圍。我們確定等于原巖應(yīng)力的應(yīng)力等值線作為劃分應(yīng)力降低區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)，以井壁投影線的夾角作為應(yīng)力傳遞角。通過(guò)大量的實(shí)踐得知，近距保護(hù)層開(kāi)采下礦山回采巷道盡管布置在了應(yīng)力降低區(qū)，但是巷道仍然發(fā)生比較大的變形，這與應(yīng)力分布的非線性造成應(yīng)力變化率劇烈變化有關(guān)，在此我們稱作垂直應(yīng)力變化的梯度。

2.2 下礦山巷道位置的確定方法

作為回采巷道，其層位已經(jīng)基本確定，即礦柱到下層資源的距離是一定，所以巷道位置的選擇主要取決于距離礦柱的水平距離。水平位置的判定標(biāo)準(zhǔn)：應(yīng)力降低區(qū)分界線距礦柱邊緣水平距離xf，梯度降低區(qū)距離礦柱邊緣的距離xt。為保證巷道圍巖穩(wěn)定性，且易于維護(hù)，我們選取兩者之間的較大值作為巷道位置確定的水平參數(shù)。

應(yīng)力降低區(qū)分界線距礦柱邊緣水平距離xf可按下式求得：

式中：xf-應(yīng)力降低區(qū)分界線到礦柱邊緣的水平距離；hf-距礦層底板深度；α-礦層傾角；δ-底板垂直應(yīng)力傳遞角；Xf0-應(yīng)力降低區(qū)距礦柱邊緣的最小距離。

按照巷道位置盡量布置到垂直應(yīng)力梯度降低區(qū)的要求，巷道距離礦柱邊緣的最低距離要大于xt。

因此，我們?nèi)ax[xf，xt]，作為巷道距礦柱邊緣的最小水平距離。這樣就可以完全確定下礦山回采巷道的位置。在應(yīng)力降低區(qū)范圍內(nèi)布置回采巷道時(shí)，如果受能源回收率所限，無(wú)法完全把巷道布置到垂直應(yīng)力梯度降低區(qū)內(nèi)時(shí)，可在巷道支護(hù)時(shí)考慮應(yīng)力梯度帶來(lái)的影響，以達(dá)到更好的支護(hù)效果。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況

井田總體為向斜構(gòu)造，北部構(gòu)造復(fù)雜類型屬中等，南部構(gòu)造復(fù)雜類型屬簡(jiǎn)單。2018年，完成了4號(hào)、9號(hào)礦層配采項(xiàng)目驗(yàn)收，允許回采礦層為4號(hào)、9號(hào)礦層。通過(guò)調(diào)查研究，礦井正常涌水量為40m3/h。未出現(xiàn)低溫低壓等異常現(xiàn)象。結(jié)合礦井以往的支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，我們?cè)诘V井4號(hào)一采區(qū)和9號(hào)一采區(qū)的42107工作面、91101工作面選擇合理的布置方式和支護(hù)參數(shù)，有效降低了巷道的變形破壞程度，實(shí)現(xiàn)了工作面安全回采。

3.1 選取的巷道支護(hù)形式

頂板錨桿間排距1000mm×1200mm，頂板每排打設(shè)5根錨桿，錨桿規(guī)格為Φ18×2000mm螺紋錨桿，每根錨桿使用1塊2360型樹(shù)脂錨固劑，錨固力要求不小于6t；幫部每排每幫各打設(shè)3根錨桿，第一根錨桿打設(shè)在頂板下400mm處，錨桿間排距900×1000mm，錨桿規(guī)格為Φ18×2000mm螺紋錨桿，每根錨桿使用1塊2360型樹(shù)脂錨固劑，錨固力要求不小于4t，并掛設(shè)金屬網(wǎng)；順巷每隔2排錨桿在巷中位置打設(shè)1組（2根）Φ15.24×8000mm錨索，錨索布置在前后兩排錨桿之間，錨索間排距2000×2400mm，每根錨索使用2塊2360型樹(shù)脂錨固劑，錨索預(yù)應(yīng)力要求不小于10t。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果

（1）對(duì)比以往采用的在上方礦層工作面礦柱下方垂直對(duì)應(yīng)布置巷道的方式，采取內(nèi)外錯(cuò)的布置方式后，大大減少了巷道的變形量，滿足了下方工作面安全回采的需要。

（2）下層能源與上層能源回采區(qū)域的布置方式有效的避開(kāi)了應(yīng)力疊加區(qū)域，巷道在掘巷初期呈現(xiàn)出一定變形后即趨于穩(wěn)定，在回采動(dòng)壓影響期間變形量處于可控程度，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)需要。

（3）通過(guò)兩個(gè)工作面的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，采取的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)對(duì)礦井各礦層的開(kāi)采具有指導(dǎo)意義。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)近距離保護(hù)層開(kāi)采下礦山巷道布置及圍巖控制技術(shù)的研究，科學(xué)地進(jìn)行回采工作面布置、礦山壓力控制，解決了近距離保護(hù)層能源開(kāi)采中存在的實(shí)際問(wèn)題，保證了巷道穩(wěn)定性，保證了礦山安全、高效開(kāi)采。