白向東

(山西晉城煤炭規(guī)劃設(shè)計(jì)院，山西省晉城市，048000)

在煤炭復(fù)采過(guò)程中，由于原有小煤礦的開采系統(tǒng)復(fù)雜和無(wú)序，出現(xiàn)了很多影響煤炭回收的難題，比如巷道位置關(guān)系復(fù)雜、通風(fēng)系統(tǒng)混亂和煤層煤柱留設(shè)不統(tǒng)一等。本文針對(duì)回收煤柱的復(fù)采工作面下覆開拓大巷對(duì)綜放面造成的安全隱患，研究了相應(yīng)的控制技術(shù)，并在ZF302綜放面開采時(shí)進(jìn)行了大巷加固實(shí)踐，取得了良好的效果。

1 現(xiàn)場(chǎng)概況和存在的問(wèn)題

山西蘭花集團(tuán)莒山煤礦有限公司位于晉城市東北18km處，井田面積為9.0214km2，批準(zhǔn)開采3?！?5＃煤層。目前礦井3＃煤層正規(guī)工作面已采完，資源臨近枯竭。因此，選擇對(duì)3＃煤層遺留煤柱進(jìn)行回采，是提高煤炭資源回收率，延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限的重要手段之一。礦方對(duì)3＃煤層遺留煤柱進(jìn)行了全面調(diào)查篩選，將在六采區(qū)大巷煤柱布置ZF302放頂煤工作面進(jìn)行回采。

3＃煤層位于山西組中下部，厚度為5.50～8.15m，平均厚6.13m。煤層頂板為砂質(zhì)泥巖或泥巖，底板為泥巖或砂質(zhì)泥巖。由于該區(qū)域原六采區(qū)運(yùn)輸大巷位于3＃煤層底板巖層中，距ZF302采面最近處的層間距不足10m，這些都對(duì)ZF302工作面安全回采造成較大的影響，可能會(huì)出現(xiàn)下部巷道坍塌引起采面支架下陷。ZF302綜放面與下覆六采區(qū)運(yùn)輸大巷的位置關(guān)系見圖1。

圖1 回采巷道與下覆運(yùn)輸大巷的位置關(guān)系

綜放面開采過(guò)程中可能會(huì)存在如下問(wèn)題。

(1)本綜放面是開采原有大巷煤柱，煤柱區(qū)域是應(yīng)力集中區(qū)，其下部開拓巷道受到的應(yīng)力較高。

(2)綜放開采對(duì)底板的擾動(dòng)范圍大，綜放面與下覆巷道的距離為8～16.5m不等，其破壞深度增加可能會(huì)進(jìn)一步影響巷道的穩(wěn)定。

(3)開采時(shí)綜放面前后方支承壓力的變化對(duì)于底板內(nèi)部的開拓巷道有很大的影響，其對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響呈現(xiàn)出周期性的特點(diǎn)。

(4)綜放面在開采每一刀煤時(shí)都會(huì)經(jīng)過(guò)下覆開拓巷道上部，巷道頂板下沉可能會(huì)導(dǎo)致采面設(shè)備的下陷。

2 綜放面下覆巷道圍巖松動(dòng)圈測(cè)試

巷道圍巖松動(dòng)圈的大小反映巷道圍巖應(yīng)力是否超出巖石 (體)的抗壓強(qiáng)度，是與圍巖強(qiáng)度和圍巖應(yīng)力相融合的一個(gè)綜合指標(biāo)，可以直接反映測(cè)試巷道圍巖維護(hù)的難易程度，是進(jìn)行巷道圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和支護(hù)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。

本項(xiàng)目采用鉆孔成像測(cè)試方法進(jìn)行巷道圍巖松動(dòng)圈的確定。該方法操作簡(jiǎn)單，可以直觀地觀察鉆孔內(nèi)不同深度巖層的破碎變形情況，從而可準(zhǔn)確確定圍巖松動(dòng)圈的大小。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況，在六采區(qū)運(yùn)輸大巷選擇與ZF302采面不同層間距的3處測(cè)站。測(cè)站Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分別距離ZF302采面約16m、12m和8m。每個(gè)測(cè)站分別在頂板和兩幫鉆鑿垂直于巷道輪廓的孔眼。孔眼直徑約30mm，深度一般不低于4m，要求孔眼圓而且直，并把孔中煤巖粉吹干凈后才能進(jìn)行測(cè)試。六采區(qū)運(yùn)輸大巷3處測(cè)點(diǎn)圍巖松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 六采區(qū)運(yùn)輸大巷圍巖松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果

松動(dòng)圈實(shí)測(cè)結(jié)果表明莒山煤礦六采區(qū)運(yùn)輸大巷的圍巖松動(dòng)圈厚度小于1.5m，屬于中小松動(dòng)圈，巷道穩(wěn)定性較好。但得注意的是，3處測(cè)站的頂板松動(dòng)圈厚度都明顯大于兩幫。分析原因是由于碹體與巷道圍巖之間存在較大空隙 (根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔探測(cè)，空隙厚度一般在0.2m以上)，頂板圍巖在重力作用下逐步變形、破裂和離層。

3 綜放面開采對(duì)下覆巷道影響數(shù)值模擬

按照綜放面實(shí)際地質(zhì)條件和巷道尺寸建立計(jì)算模型，分析ZF302采面回采對(duì)其下部近距離開拓巷道的影響。

圖2 計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬模型的巷道位置關(guān)系

莒山煤礦ZF302工作面采用綜放開采法開采3＃煤層大巷煤柱。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)生產(chǎn)條件采用FLAC3D建立模型研究綜放面開采對(duì)下部巷道圍巖應(yīng)力和變形的影響。計(jì)算模型選取鉛垂向?yàn)閥方向，水平方向?yàn)閤方向，沿煤層走向?yàn)閦方向?？紤]到開采變形的影響范圍，確定計(jì)算模型的尺寸為150m×80m×600m (x×y×z)，圍巖本構(gòu)關(guān)系采用摩爾-庫(kù)侖模型。下部邊界條件為位移邊界條件，y方向上為鉸支。所建數(shù)值模型如圖2所示。

根據(jù)綜放面開采的設(shè)計(jì)尺寸，主要針對(duì)綜放面開采進(jìn)度對(duì)下覆開拓巷道影響設(shè)計(jì)不同的模擬方案，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)綜放面圍巖應(yīng)力變化以及開拓巷道幫部圍巖應(yīng)力的變化情況。模擬結(jié)果見圖3和圖4。

從圖4中可以看出，隨著ZF302工作面的開采，在采空區(qū)內(nèi)由于煤層的開挖導(dǎo)致應(yīng)力釋放，形成了方形的應(yīng)力降低區(qū)；相應(yīng)地，在采空區(qū)周圍的煤體和煤柱內(nèi)部形成了應(yīng)力集中區(qū)，對(duì)于綜放面下部20m范圍內(nèi)的六采區(qū)運(yùn)輸大巷位于工作面前方的5～25m范圍內(nèi)，出現(xiàn)了應(yīng)力升高區(qū)，最大靜集中應(yīng)力超過(guò)40MPa，由于采動(dòng)造成的瞬時(shí)集中應(yīng)力可能更高，對(duì)大巷造成嚴(yán)重?cái)_動(dòng)，產(chǎn)生變形和破壞，因此，對(duì)下部巷道需要在工作面影響前進(jìn)行相應(yīng)的加固。

六采區(qū)運(yùn)輸大巷所處位置的初始豎向應(yīng)力為25MPa，原巷道開挖后，綜放面沒(méi)有影響之前，右?guī)?m深處的豎向應(yīng)力為38.2MPa。多個(gè)測(cè)點(diǎn)的模擬結(jié)果顯示，隨著上部ZF302采面與測(cè)點(diǎn)距離的減小，巷幫內(nèi)應(yīng)力出現(xiàn)明顯的增加，采面超前影響的范圍約為60～80m，此影響程度在測(cè)點(diǎn)超前20～25m的區(qū)域內(nèi)達(dá)到最大；隨著綜放面采過(guò)此測(cè)點(diǎn)，運(yùn)輸大巷處于卸壓區(qū)，圍巖應(yīng)力急劇下降。

4 ZF302采面下部巷道加固方案與實(shí)踐

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬研究結(jié)果可知，由于運(yùn)輸大巷服務(wù)變形時(shí)間長(zhǎng)導(dǎo)致碹體與圍巖之間存在較大空隙區(qū) (現(xiàn)場(chǎng)打孔實(shí)測(cè)結(jié)果在0.2m左右)，為提高支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的整體耦合作用，增加巷道穩(wěn)定性，加固之前必須先將碹體后部的空隙充填密實(shí)。從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和現(xiàn)有技術(shù)水平考慮，對(duì)于與ZF302采面垂距大于12m的巷道可以采用 “壁后充填＋鋼梁＋單體液壓支柱”加固；對(duì)于垂距小于或等于12m的巷道采取回采前 “壁后充填＋錨桿＋鋼筋網(wǎng)＋錨索”預(yù)加固和回采影響期間 “鋼梁＋單體液壓支柱”動(dòng)態(tài)超前加強(qiáng)支護(hù)相結(jié)合的方案進(jìn)行維護(hù)。詳細(xì)加固方案如下:

(1)壁后注漿充填。注漿材料的選擇是注漿技術(shù)中的重要組成部分。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件確定采用水泥-水玻璃漿液。水泥-水玻璃漿液的水灰比控制在0.8～1.0，水玻璃的摻量為水泥重量的3%～5%。水泥采用42.5＃普通硅酸鹽水泥，水玻璃采用濃度為45波美度的液體水玻璃。

注漿短管采用?26mm的無(wú)縫鋼管加工，規(guī)格?26mm×500mm，孔深1000mm，每個(gè)斷面布置5根注漿短管，排距1.4m。見圖5。

(2)錨桿 (索)支護(hù)加固。為了保障巷道在回采期間不發(fā)生嚴(yán)重頂板下沉，選用規(guī)格為?20mm×2200mm BHRB335型左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，全斷面布置10根錨桿，錨桿間排距為900mm×900mm，設(shè)計(jì)錨桿安裝的預(yù)緊力矩不低于120N·m。

選用規(guī)格為?18mm×6300mm的高強(qiáng)度、大延伸率錨索，錨索間排距1600mm×1800mm，均采用 “三花”布置 (即相鄰兩排錨索中，一排在頂板中部布置一根，另一排在兩個(gè)拱肩處對(duì)稱布置兩根)，預(yù)拉力為100kN。

(3)“鋼梁＋單體液壓支柱”動(dòng)態(tài)超前加強(qiáng)支護(hù)。根據(jù)理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果，從采面液壓支架尾部開始往前 (采面推進(jìn)方向)60m長(zhǎng)度范圍內(nèi)的下部巷道進(jìn)行動(dòng)態(tài)加強(qiáng)支護(hù)，隨著采面往前推進(jìn)在前部架設(shè)支架的同時(shí)將后部的支架拆除。架柱式支護(hù)見圖6，頂板采用12＃槽鋼制作成4500mm的頂梁，橫梁采用3000mm槽鋼，橫梁與頂梁之間用350mm槽鋼連接，橫梁下采用3根單體柱支撐，單體柱間距為1400mm。支架支設(shè)密度為每1 m巷道架設(shè)1排。

架設(shè)單體液壓支柱時(shí)要保證支柱與工字鋼橫梁間連接牢靠，每?jī)筛垆摴傲褐g用3根拉桿連接(拱頂中心和兩肩部各1根)，以防止歪架和倒架，并確保支柱初撐力不低于120kN。

在對(duì)六采區(qū)運(yùn)輸大巷進(jìn)行支護(hù)加固實(shí)踐過(guò)程中，要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔情況確定巷道頂板與ZF302工作面底板的距離，隨時(shí)調(diào)整支護(hù)方式。

在巷道加固施工完成后，對(duì)ZF302綜放面進(jìn)行了開采實(shí)踐，從對(duì)巷道的頂板下沉量觀測(cè)結(jié)果和綜放面機(jī)械設(shè)備在開采到開拓巷道上方時(shí)的下沉情況看，在綜放面前方15m范圍內(nèi)出現(xiàn)巷道頂板下沉加速的情況，但是下沉量最大沒(méi)有超過(guò)186mm，綜放面實(shí)現(xiàn)了安全開采，而且下覆六采區(qū)運(yùn)輸大巷的臨時(shí)支護(hù)材料也實(shí)現(xiàn)了安全回收。

5 結(jié)論

在ZF302綜放工作面開采時(shí)，通過(guò)對(duì)其下覆六采區(qū)運(yùn)輸大巷采取 “壁后充填＋錨桿＋鋼筋網(wǎng)＋錨索”預(yù)加固和回采影響期間 “鋼梁＋單體液壓支柱”動(dòng)態(tài)超前加強(qiáng)支護(hù)相結(jié)合的支護(hù)方式，通過(guò)重點(diǎn)控制巷道頂板下沉量來(lái)降低回采面回采期間可能出現(xiàn)的底板破壞和設(shè)備下陷問(wèn)題，取得了較好的效果，復(fù)采綜放工作面的煤柱實(shí)現(xiàn)了安全回收。

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