小煤窯采空區(qū)下煤巷掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)研究

楊茂青

（山西潞安環(huán)能上莊煤業(yè)有限公司，山西 長治 046200）

隨著國家逐漸淘汰煤炭落后產(chǎn)能，小煤窯已全部被兼并或關(guān)閉退出[1-2]。但小煤窯采用落后房柱式開采方法留下了大量采空區(qū)，由于采空區(qū)的位置和地質(zhì)資料等情況不全，對(duì)兼并后的煤炭企業(yè)安全開采造成嚴(yán)重困難[3-4]。尤其在小煤窯采空區(qū)下進(jìn)行巷道掘進(jìn)時(shí)，極易發(fā)生冒頂?shù)仁鹿省Ｒ虼?，?duì)于小煤窯采空區(qū)下巷道掘進(jìn)，需要分析巷道圍巖應(yīng)力，設(shè)計(jì)合理的支護(hù)方式和參數(shù)，提高巷道頂板的穩(wěn)定性。

1 概況

上莊煤礦為重組后企業(yè)，礦井主采3#、9#、15#煤層，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力0.9 Mt/a。目前礦井正進(jìn)行運(yùn)輸巷、軌道巷、回風(fēng)巷新建，均沿著3#煤層底板布置。3 煤層厚1.26～3.40 m，平均2.16 m，平均傾角5°，直接頂板為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，底板為細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖。由于上莊煤礦為重組后煤礦，上方3上煤層曾被小煤窯開采，留下了大量采空區(qū)，對(duì)一采區(qū)巷道掘進(jìn)后支護(hù)造成嚴(yán)重影響。

一采區(qū)運(yùn)輸巷原設(shè)計(jì)采用錨桿+錨網(wǎng)+鋼筋梯子梁聯(lián)合支護(hù)，支護(hù)參數(shù)見表1。

表1 一采區(qū)運(yùn)輸巷原支護(hù)參數(shù)

巷道采用原支護(hù)方式支護(hù)后，頂板變形量大，若不提高支護(hù)強(qiáng)度，可能會(huì)發(fā)生冒頂?shù)仁鹿?，?yán)重影響巷道掘進(jìn)安全。

2 采空區(qū)應(yīng)力分布

小煤窯工作面回采后形成采空區(qū)，采空區(qū)頂板巖層垮落壓實(shí)采空區(qū)后形成穩(wěn)定狀態(tài)[5-6]。一采區(qū)巷道沿3#煤層頂板掘進(jìn)時(shí)，受上方采空區(qū)影響，支承壓力分布呈現(xiàn)一定規(guī)律，即采空區(qū)下方為應(yīng)力降低區(qū)，近采空區(qū)一側(cè)煤柱下方為應(yīng)力升高區(qū)，應(yīng)力達(dá)到峰值后逐漸降低至原巖應(yīng)力，如圖1。

由圖1 可知，受采空區(qū)影響，下煤層出現(xiàn)應(yīng)力升高區(qū)，應(yīng)力峰值會(huì)達(dá)到原巖應(yīng)力3 倍左右。受高集中應(yīng)力影響，下煤層巷道掘進(jìn)后，尤其是在采空區(qū)與煤柱交界區(qū)域礦壓顯現(xiàn)明顯，頂板變形量大，若不及時(shí)進(jìn)行合理支護(hù)，很容易發(fā)生冒頂事故。

圖1 下煤層應(yīng)力分布規(guī)律圖

3 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)數(shù)值模擬

3.1 模擬方案

結(jié)合上莊煤礦地質(zhì)條件和周邊礦井的支護(hù)形式，提出采用單體液壓支柱+工字鋼補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，提高支護(hù)強(qiáng)度。采用FLAC3D分別模擬補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)棚間距1 m、2 m、3 m 時(shí)，一采區(qū)運(yùn)輸巷應(yīng)力分布和圍巖變形情況，得到最優(yōu)支護(hù)間距。建立150 m×50 m×80 m 的力學(xué)模型，材料參數(shù)見表2。

表2 一采區(qū)運(yùn)輸巷材料參數(shù)

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1 圍巖變形分析

采用FLAC3D模擬原支護(hù)方式和補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)3 種棚間距時(shí)一采區(qū)運(yùn)輸巷圍巖變形量，模擬結(jié)果如圖2。

圖2 模擬位移變形圖

由圖2 可知，巷道采用原支護(hù)方式時(shí)圍巖變形量大，最大頂板下沉量和左右兩幫變形量分別為220 mm、55 mm、38 mm。補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后巷道圍巖變形量有了明顯改善，尤其是頂板下沉量。當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)棚間距1 m、2 m、3 m 時(shí)，最大頂板下沉量分別為104 mm、52 mm、45 mm，較原支護(hù)分別減小了52%、76%、80%。補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后頂板最大下沉量均在安全范圍內(nèi)，但棚間距2 m、3 m 時(shí)頂板下沉量減少量相對(duì)間距為1 m 時(shí)更大，支護(hù)強(qiáng)度更高，更能保證頂板的穩(wěn)定性。

3.2.2 塑性區(qū)分布分析

采用FLAC3D模擬原支護(hù)方式和補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)3 種棚間距時(shí)一采區(qū)運(yùn)輸巷塑性區(qū)分布，模擬結(jié)果如圖3。

由圖3 可知，一采區(qū)運(yùn)輸巷采用原支護(hù)方式時(shí)頂板塑性區(qū)深度大，頂板出現(xiàn)彎曲下沉。補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后塑性區(qū)長度減小，頂板未出現(xiàn)彎曲下沉，支護(hù)效果良好，補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)能保證采空區(qū)下巷道頂板的穩(wěn)定。

圖3 模擬塑性區(qū)分布圖

3.2.3 應(yīng)力分布分析

采用FLAC3D模擬原支護(hù)方式和補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)3 種棚間距時(shí)一采區(qū)運(yùn)輸巷垂直應(yīng)力分布，模擬結(jié)果如圖4。

圖4 模擬垂直應(yīng)力分布圖

由圖4 可知，一采區(qū)運(yùn)輸巷采用原支護(hù)方式時(shí)應(yīng)力在頂板集中，最大垂直應(yīng)力為10 MPa，巷道頂板出現(xiàn)塑性破壞。當(dāng)采用補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后，頂板的集中應(yīng)力逐漸向兩幫轉(zhuǎn)移，頂板未出現(xiàn)塑性變形。因此，補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后頂板未出現(xiàn)塑性變形破壞，頂板的穩(wěn)定性得到明顯提高。

通過FLAC3D模擬一采區(qū)運(yùn)輸巷位移、塑性區(qū)分布和位移情況，得到補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)使巷道頂板穩(wěn)定性明顯提升，棚間距2 m、3 m 時(shí)頂板變形量、塑性區(qū)深度、垂直應(yīng)力均比棚間距1 m 小得多，支護(hù)效果更優(yōu)。棚間距2 m、3 m 支護(hù)效果基本一致，棚間距3 m 耗費(fèi)的人力、財(cái)力更多。結(jié)合礦井的經(jīng)濟(jì)效益，補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)棚間距采用2 m。

4 支護(hù)方案確定

根據(jù)模擬結(jié)果可知，一采區(qū)運(yùn)輸巷要想保證頂板的穩(wěn)定性，在采用錨桿+金屬網(wǎng)的原支護(hù)方式和參數(shù)后，需采用單體液壓支柱+工字鋼進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，且棚間距為2 m，支護(hù)示意圖如圖5。補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)選用DW28-250/100 的單體液壓支柱，11#工字鋼。

圖5 一采區(qū)運(yùn)輸巷支護(hù)示意圖（mm）

5 支護(hù)效果

一采區(qū)運(yùn)輸巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后，采用頂?shù)装鍎?dòng)態(tài)儀監(jiān)測巷道圍巖變形量，驗(yàn)證支護(hù)效果。在巷道頂板布置3 組監(jiān)測站，監(jiān)測90 d 內(nèi)巷道頂板下沉量和兩幫移近量，監(jiān)測結(jié)果見表3。

表3 一采區(qū)運(yùn)輸巷監(jiān)測圍巖變形量 （單位：mm）

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可知，一采區(qū)運(yùn)輸巷原支護(hù)+補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后巷道頂板下沉量和兩幫變形量均在安全范圍內(nèi)。由此可知，補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)能夠提高頂板的穩(wěn)定性，保證采空區(qū)下巷道的安全掘進(jìn)。

6 結(jié)論

（1）小煤窯采空區(qū)下巷道掘進(jìn)會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力升高區(qū)，造成巷道頂板塑性破壞，甚至?xí)l(fā)生冒頂。一采區(qū)運(yùn)輸巷為采空區(qū)下掘進(jìn)巷道，原有的錨桿+金屬網(wǎng)支護(hù)不足以保證頂板的穩(wěn)定，需要采用單體液壓支柱+工字鋼進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

（2）采用FLAC3D模擬補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)棚間距1 m、2 m、3 m 時(shí)一采區(qū)運(yùn)輸巷應(yīng)力分布和圍巖變形情況。根據(jù)模擬結(jié)果可知，補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)使巷道頂板穩(wěn)定性得到明顯提升，當(dāng)棚間距2 m 時(shí)支護(hù)效果和經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)。

（3）一采區(qū)運(yùn)輸巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后，采用頂?shù)装鍎?dòng)態(tài)儀監(jiān)測巷道頂板和兩幫變形量均在安全范圍內(nèi)，能夠保證巷道安全掘進(jìn)。