陳第一

（山西焦煤集團(tuán)東曲礦，山西 古交 030200）

0 引 言

煤炭一直以來(lái)是我國(guó)的主要能源，對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著十分重要的作用。我國(guó)幅員遼闊，因此煤炭賦存地質(zhì)條件也相當(dāng)復(fù)雜，我國(guó)在上個(gè)世紀(jì)由于技術(shù)工藝的落后，大部分煤礦只開(kāi)采了條件好的煤炭資源，而隨著賦存條件優(yōu)異煤炭資源的開(kāi)采殆盡，難采煤炭資源就成為我國(guó)現(xiàn)階段的主要開(kāi)采部分，而近距離煤層開(kāi)采在其中占很大比例[1～2]。

周楠等[3]針對(duì)近距離煤層采空區(qū)下開(kāi)采采場(chǎng)礦壓控制問(wèn)題,根據(jù)某煤礦地質(zhì)條件及工作面布置方式,采用物理相似模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的研究方法,總結(jié)了近距離煤層上煤層開(kāi)采完畢后,采空區(qū)下工作面回采過(guò)程中礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。張偉[4]發(fā)現(xiàn)在近距離煤層下行開(kāi)采過(guò)程中,由于上煤層開(kāi)采造成上覆巖層垮落,覆巖巖層完整性將受到破壞,采空區(qū)下煤層開(kāi)采時(shí),工作面采場(chǎng)覆巖將形成整體完整性較差的松散結(jié)構(gòu),具有來(lái)壓不明顯、動(dòng)載系數(shù)小等特點(diǎn)。谷栓成[5]針對(duì)上煤層已采的下煤層工作面回采時(shí)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律不同于常規(guī)工作面的現(xiàn)象,在原有巖層移動(dòng)理論基礎(chǔ)上定義了承載層和主承載層的概念。

本文針對(duì)東曲礦8號(hào)煤層與9號(hào)煤層相距較近，8號(hào)煤層已經(jīng)回采完畢，受8號(hào)煤采空區(qū)的影響，8號(hào)煤層底板已經(jīng)受到不同程度的破壞的問(wèn)題。為了保證工作面順槽在掘進(jìn)及回采過(guò)程中維持穩(wěn)定，保證正常的采掘接替，本文以東曲礦19303工作面為研究背景，通過(guò)采用理論分析以及數(shù)值模擬的方法提出19303工作面順槽的合理的支護(hù)方案。

圖1 工作面綜合柱狀圖

1 工作面概況

19303工作面北西為已形成的19301工作面，北東為礦界、黃臺(tái)峰村，南西為主要大巷和黃臺(tái)峰回風(fēng)斜井保護(hù)煤柱，南東為已規(guī)劃的19305工作面。上方8號(hào)煤層已回采，8號(hào)～9號(hào)煤的層間距為3.5～5.5m左右。直接頂為粉砂巖和砂質(zhì)泥巖，厚度為2.3～3.5m，巖性特征為灰色，上部為粉砂巖，下部為砂質(zhì)泥巖,含植物碎片化石，上部夾0.3m的煤；直接頂為泥巖與砂質(zhì)泥巖，厚度為3.93m，巖性特征為泥巖：深黑色，下部有一至兩層薄煤層，砂質(zhì)泥巖：深灰色，含菱鐵礦結(jié)核。工作面綜合柱狀圖如圖1所示。

2 9號(hào)煤地質(zhì)力學(xué)條件

1）地應(yīng)力分布特征：9號(hào)煤層最大水平主應(yīng)力9.47MPa，最小水平主應(yīng)力 5.57MPa，垂直應(yīng)力5.53MPa，在量值上屬于低值應(yīng)力區(qū)。最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹30.4°W，應(yīng)力場(chǎng)類型為最大水平主應(yīng)力＞最小水平主應(yīng)力＞垂直應(yīng)力型應(yīng)力場(chǎng)。相關(guān)研究表明，水平應(yīng)力對(duì)巷道頂板的影響作用大于對(duì)巷道兩幫的影響，結(jié)合該工作面上方有采空區(qū)存在，更需要考慮加強(qiáng)對(duì)巷道頂?shù)装宓目刂啤?/p>

2）圍巖強(qiáng)度特征：在 19202工作面采用WQCZ-56型小孔徑井下巷道圍巖強(qiáng)度測(cè)定裝置，對(duì)煤層及頂?shù)装暹M(jìn)行圍巖強(qiáng)度原位測(cè)試，頂孔深度10m左右。結(jié)果顯示，頂板砂質(zhì)泥巖抗壓強(qiáng)度均值為58.72MPa，粉砂巖抗壓強(qiáng)度均值為43.54MPa，9號(hào)煤層平均抗壓強(qiáng)度為28.67MPa。

3）巷道圍巖窺視：受8號(hào)煤采動(dòng)影響，8號(hào)煤層底板破壞深度約為1m。9號(hào)煤的厚度在3.5m之上，且厚度均勻，局部9號(hào)煤層含有砂質(zhì)泥巖夾矸，9號(hào)煤層的頂?shù)装寰阅鄮r和砂質(zhì)泥巖為主。由窺視結(jié)果可知，巷道頂板煤層及巖層穩(wěn)定性較好。

3 回采巷道支護(hù)數(shù)值模擬研究

3.1 模型建立及模擬方案

根據(jù)東曲礦的實(shí)際開(kāi)采條件，模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高=200m×100m×50m。模型四個(gè)側(cè)面為水平移動(dòng)邊界，底部為固定邊界，模型共劃分216720個(gè)單元，232512個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖2 工作面順槽巷道數(shù)值分析三維模型

模擬方案為首先開(kāi)采8號(hào)煤層，待其平衡后開(kāi)挖9號(hào)煤層的順槽并進(jìn)行支護(hù)運(yùn)行至平衡，最后回采19303工作面，工作面開(kāi)挖5m為一個(gè)循環(huán)，每個(gè)循環(huán)計(jì)算2000步，計(jì)算20個(gè)循環(huán)（工作面推進(jìn)長(zhǎng)度y=100m）之后保存回采文件。

3.2 支護(hù)參數(shù)方案

根據(jù)東曲礦的實(shí)際生產(chǎn)地質(zhì)條件以及結(jié)合其他順槽的支護(hù)方式，提出以下兩種支護(hù)方案。

表1 順槽錨桿（索）支護(hù)參數(shù)對(duì)比方案

3.3 支護(hù)效果模擬分析

3.3.1 支護(hù)方案對(duì)比分析

運(yùn)輸順槽采用方案一、二時(shí)，巷道圍巖的塑性區(qū)分布見(jiàn)圖3。

圖3 工作面前方順槽塑性破壞圖

如圖3所示，對(duì)比不同支護(hù)方案下順槽的塑性破壞情況可知，方案一的工作幫的局部破壞深度達(dá)3m左右，超過(guò)了錨桿的錨固范圍會(huì)造成順槽失穩(wěn)破壞的現(xiàn)象。而方案二的塑性破壞范圍均小于錨桿的錨固范圍。因此從安全生產(chǎn)的角度考慮，本次研究重點(diǎn)分析方案二下順槽圍巖的塑性破壞、應(yīng)力分布等情況。

3.3.2 8號(hào)煤采空區(qū)及區(qū)段煤柱對(duì)順槽的影響

圖4 區(qū)段煤柱下方工作面前方順槽塑性及垂直應(yīng)力圖

圖5 采空區(qū)下方工作面前方順槽塑性及垂直應(yīng)力圖

圖4、5為工作面分別位于煤柱以及采空區(qū)下順槽的塑性破壞及應(yīng)力分布圖，由圖可知當(dāng)工作面回采至采空區(qū)下方時(shí)相比于工作面回采至煤柱下方時(shí)，順槽破壞較為嚴(yán)重，但是仍在錨桿的有效錨固范圍內(nèi)。采空區(qū)下方順槽煤幫的垂直應(yīng)力約為30MPa，而煤柱下方為16MPa，采空區(qū)下方的垂直應(yīng)力是煤柱下方的1.8倍。因此可知8號(hào)煤采空區(qū)對(duì)順槽的圍巖變形影響較大。

3.3.3 工作面回采對(duì)順槽的影響

由三采區(qū)的工作面布置情況可知，19303工作面運(yùn)輸順槽只受本工作面的采動(dòng)影響。因此本次數(shù)值模擬重點(diǎn)研究運(yùn)輸順槽在工作面前方不同距離的巷道圍巖的變形情況。

1）順槽的塑性破壞情況。

在運(yùn)輸順槽的頂?shù)装寮皟蓭头謩e布置測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)其回采過(guò)程中巷道圍巖的變形情況，如圖6所示為距離工作面前方不同距離的塑性分布云圖。

圖6 工作面前方不同位置塑性區(qū)分布圖

圖 6（a）～（f）分別為工作面未采動(dòng)時(shí)和工作面前方80m、60m、40m、20m、工作面處的巷道圍巖塑性破壞情況（右側(cè)巷道為本工作面運(yùn)輸順槽）。圖（1）顯示當(dāng)工作面未受采動(dòng)影響時(shí)，19303工作面運(yùn)輸順槽圍巖較為穩(wěn)定，頂板以及兩幫的破壞深度約為0.5m左右，底板未出現(xiàn)破壞，破壞范圍均小于錨桿的長(zhǎng)度，巷道較為穩(wěn)定。圖2～圖5所示，隨著距工作面距離的減小，順槽的頂?shù)装寮皟蓭偷钠茐姆秶尸F(xiàn)增大的趨勢(shì)，但增加的幅度較小，頂?shù)装寮皟蓭偷钠茐姆秶_(dá)到了1m左右，均小于錨桿的有效范圍，順槽圍巖仍然可以保持穩(wěn)定。圖6為工作面處順槽的塑性破壞圖，此處順槽的頂板破壞較為嚴(yán)重，非工作幫煤壁破壞深度為1.5m左右，但仍在錨桿的錨固范圍之內(nèi)，運(yùn)輸順槽處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2）順槽應(yīng)力分布情況分析。

圖7 測(cè)點(diǎn)位于本工作面前方不同位置處垂直應(yīng)力分布

圖 7（a）～（f）分別為工作面未采動(dòng)時(shí)和工作面前方80m、60m、40m、20m、工作面處的巷道圍巖塑性破壞情況（右側(cè)巷道為本工作面運(yùn)輸順槽）。顯示隨著距離工作面的解決順槽的垂直應(yīng)力呈現(xiàn)對(duì)稱分布由于受到上覆8號(hào)煤層采空區(qū)的影響，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，順槽兩幫的垂直應(yīng)力約為20MPa，且隨著工作面的推進(jìn)，順槽圍巖垂直應(yīng)力不斷擴(kuò)散，且數(shù)值呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。

4 順槽位移情況分析

圖8為運(yùn)輸順槽表面的各位移量隨測(cè)點(diǎn)至工作面煤壁距離變化曲線。

圖8 測(cè)點(diǎn)位于工作面前方不同位置時(shí)運(yùn)輸順槽位移變化曲線

由圖可知，隨著距離工作面距離的減小，巷道的圍巖變形量整體上呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，且工作面前方100m到40m時(shí)，巷道圍巖的變形量雖然在增加但增加的幅度較?。浑S著工作面的推進(jìn)，工作面前方40m到工作面處，運(yùn)輸順槽受到工作面的采動(dòng)影響較為明顯，順槽的頂?shù)装逡约皟蓭偷囊平砍尸F(xiàn)增加的趨勢(shì)且變化的幅度較大。

5 支護(hù)效果分析

為驗(yàn)證所選支護(hù)方案的合理性，在順槽內(nèi)每隔30m設(shè)置一個(gè)測(cè)站，采用十字測(cè)點(diǎn)法對(duì)順槽的頂?shù)装逡约皟蓭偷淖冃芜M(jìn)行監(jiān)測(cè)。如圖所示為順槽圍巖變形情況。

圖9 順槽圍巖變形圖

由圖9可知，當(dāng)采用方案二進(jìn)行順槽支護(hù)時(shí)，0～15d順槽圍巖的變形量較大，且變形速率較大，頂?shù)装逡约皟蓭偷囊平糠謩e為62mm、42mm，15d后圍巖變形趨于穩(wěn)定。最終順槽的頂?shù)装逡约皟蓭偷囊平繛?5mm、45mm，順槽圍巖的變形較小，能夠保證工作面的安全生產(chǎn)。

6 結(jié) 論

結(jié)合理論分析以及數(shù)值模擬確定最終的順槽支護(hù)方案為頂錨桿Φ20×2400 mm，間排距為1000×900mm，幫錨桿Φ20×2400mm，幫錨桿間排距為1000×900 mm，頂板錨索Φ17.8×4500mm，間排距為“二二”布置2000×1800/mm，其他形式的加固方式為頂板采用W鋼帶+金屬網(wǎng)，兩幫采用W鋼護(hù)板+金屬網(wǎng)；通過(guò)數(shù)值模擬，確定19303工作面順槽超前支護(hù)距離為40m；通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)順槽圍巖變形監(jiān)測(cè)可知支護(hù)方案二能夠有效控制圍巖變形。