王艷斌

（西山晉邦德煤業(yè)有限公司，山西 呂梁 033000）

引言

我國(guó)能源儲(chǔ)量豐富，但賦存情況不均，大致呈現(xiàn)出多煤、少油、貧氣的格局，煤炭資源在我國(guó)一次性能源消耗的占比一直處于領(lǐng)先地位，隨著開采年限的不斷增大，煤層開采逐步面臨地質(zhì)條件復(fù)雜的問題。近距離煤層開采時(shí)，由于上下煤層距離較近，使得上煤層開采會(huì)影響下煤層巷道的穩(wěn)定性[1-2]，所以如何解決近距離下煤層巷道圍巖失穩(wěn)成為了重要的研究課題[3-4]。

1 支護(hù)方案研究

近距離上煤層開采后，使得巷道的圍巖應(yīng)力重新分布，上煤層巷道的區(qū)段煤柱會(huì)形成應(yīng)力集中區(qū)，在進(jìn)行下煤層開采時(shí)，下煤層巷道受到上部煤層巷道底板應(yīng)力集中的影響出現(xiàn)一定的變形，承載壓力是一種自上而下的力，隨著傳遞的距離逐步增大，支撐壓力逐步降低至原巖應(yīng)力水平，所以為了降低下煤層巷道變形需要將下煤層巷道設(shè)置在上煤層巷道底板承載應(yīng)力擴(kuò)散區(qū)域以外，當(dāng)煤層距離一定時(shí)，支護(hù)可以有效削減承載應(yīng)力的傳遞性，所以選定合適的支護(hù)方案對(duì)近距離下煤層巷道穩(wěn)定性十分重要。

在近距離煤層支護(hù)時(shí)，如果巷道頂板有部分軟弱巖石，此時(shí)利用錨桿將軟弱巖石與堅(jiān)硬巖層進(jìn)行聯(lián)系，此時(shí)的錨桿起到懸吊作用，見圖1-1。當(dāng)巷道的頂板出現(xiàn)分層時(shí)，錨桿支護(hù)不僅可以提升頂板巖層間的摩擦力，降低頂板離層現(xiàn)象，同時(shí)能夠提供巖層足夠的抗剪強(qiáng)度，避免出現(xiàn)剪切破壞，如圖1-2 所示。同時(shí)在易破碎區(qū)為防止破碎面積進(jìn)一步增大，通過預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)可以形成錐形壓應(yīng)力區(qū)，當(dāng)支護(hù)錨桿的間排距很小時(shí)，此時(shí)的壓應(yīng)力區(qū)會(huì)形成一個(gè)組合拱，此時(shí)圍巖的強(qiáng)度會(huì)有大幅度的提升。

圖1 錨桿支護(hù)作用示意圖

在進(jìn)行近距離煤層巷道支護(hù)時(shí)需要遵循以下原則：

1）及時(shí)主動(dòng)原則，通過及時(shí)進(jìn)行支護(hù)降低圍巖發(fā)生變形的幾率，使圍巖達(dá)到受力均衡狀態(tài)。

2）可縮性支護(hù)，要根據(jù)實(shí)際圍巖情況選定合適的支護(hù)方案及支護(hù)參數(shù)，使得整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)具備一定的可縮性。

3）擴(kuò)散及預(yù)應(yīng)力施加原則，錨桿的支護(hù)主要是依賴預(yù)先施加的預(yù)應(yīng)力，所以在進(jìn)行預(yù)應(yīng)力施加時(shí)要充分分析圍巖特性，選定合適的預(yù)應(yīng)力使其錨固區(qū)與圍巖較好地聯(lián)合，形成整體承壓結(jié)構(gòu)。

4）增大工作阻力原則，施加具有高阻力的支護(hù)體系，保證回采空間，避免巷道變形過大造成作業(yè)困難的問題。

2 礦井概況

晉邦德礦位于位于呂梁市離石區(qū)西屬巴鎮(zhèn)，井田面積13.85km2，主要開采3 號(hào)、4 號(hào)煤層，生產(chǎn)能力120 萬t/年，3 號(hào)煤層的平均厚度為4.9 m，4 號(hào)煤層平均厚度為2.6 m，兩煤層間的距離為6 m，屬于近距離煤層，在實(shí)際生產(chǎn)過程中選定下行式開采，上煤層巷道預(yù)留20 m 護(hù)巷煤柱，2 號(hào)煤層巷道選定錨桿錨索+金屬網(wǎng)的聯(lián)合支護(hù)方案，但由于巷道的應(yīng)力屬于非對(duì)稱分布，所以造成巷道兩幫的移近量較大，幫部的變形嚴(yán)重。幫部錨桿受到不同程度的破壞，嚴(yán)重影響下煤層巷道的開采。

為了降低下煤層巷道變形程度，提升下煤巷道穩(wěn)定性，對(duì)4 號(hào)煤層巷道支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先進(jìn)行巷道錨桿長(zhǎng)度的計(jì)算，錨桿長(zhǎng)度計(jì)算公式如下：

式中：L0為錨桿長(zhǎng)度，m；L1為錨桿墊板及螺母厚度，m；L2為錨桿有效長(zhǎng)度，m；L3為錨桿錨固長(zhǎng)度，m。根據(jù)地質(zhì)資料可知巷道的半寬為2 m，上部幫部破碎區(qū)的寬度為2.4 m，巖石的普式硬度系數(shù)為2.5，所以上部巷道錨桿的有效長(zhǎng)度為（2.4 m+2 m）/2.5=1.76 m，下部巷道幫部破碎區(qū)的寬度為2.9 m，巖石的普式硬度系數(shù)為2.5，所以上部巷道錨桿的有效長(zhǎng)度計(jì)算可得：（2.9 m+2 m）/2.5=1.96 m，L1根據(jù)實(shí)際情況一般選定0.1 m，錨固長(zhǎng)度一般為0.3 m，所以上部下部煤層巷道頂板錨桿長(zhǎng)度均選定為2.4 m。同樣的對(duì)底板錨桿進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算得出上下煤層巷道底板錨桿長(zhǎng)度分別為3.4 m 和3.8 m，將幫錨桿的長(zhǎng)度分別選定為2.9 m 和3.4 m。

對(duì)錨桿的間排距進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式一般為：

式中：a 為間排距，m；L0為錨桿長(zhǎng)度，m。所以根據(jù)計(jì)算可知上部煤層巷道頂板間排距為1 200 mm×1 200mm，底板及幫部錨桿間排距根據(jù)實(shí)際工程情況確定，分別為830 mm×830 mm，900 mm×900 mm。下部煤層巷道頂板間排距為1 200 mm×1 200 mm，底板及幫部錨桿間排距根據(jù)實(shí)際工程情況確定，分別為850 mm×850 mm，1 000 mm×1 000 mm。

根據(jù)實(shí)際工程情況和國(guó)家生產(chǎn)型號(hào)的種類，最終確定錨桿直徑為200 mm。

對(duì)上煤層巷道及下煤層巷道進(jìn)行支護(hù)方案設(shè)計(jì)，上部煤層巷道頂板錨桿選用Φ20 mm×2 400 mm左旋樹脂錨桿，頂板每排布置4 根，間排距選定為1 200 mm×1 200 mm，每支錨桿選定2 支Z2360 中樹脂錨固劑，配置150 mm×150 mm×8 mm的高強(qiáng)度托盤，靠近兩幫的錨桿向內(nèi)側(cè)偏移20°，頂板的錨索選定為Φ18×7 000的鋼絞線，沿巷道中心對(duì)稱布置，共三根，間排距選定為1 400 mm×2 100 mm。

巷道底板錨桿選用Φ20mm×3400mm 左旋樹脂錨桿，底板每排布置5根，間排距選定為830 mm×830 mm，每支錨桿選定2 支Z2360 中樹脂錨固劑，配置150 mm×150 mm×8 mm的高強(qiáng)度托盤，同時(shí)配置高強(qiáng)度墊圈，采用金屬網(wǎng)進(jìn)行鋪平拉緊。巷道幫錨桿選用Φ20×2 900 mm 左旋樹脂錨桿，兩幫每排布置5 根，間排距選定為900 mm×900 mm，每支錨桿選定2支Z2360 中樹脂錨固劑，配置150mm×150mm×8 mm的高強(qiáng)度托盤，靠近頂?shù)装宓腻^桿向內(nèi)側(cè)偏移20°。

下煤層巷道支護(hù)優(yōu)化方式類似，這里就不贅述，上部下部煤層巷道支護(hù)優(yōu)化示意圖如圖2 所示。

圖2 巷道支護(hù)圖（單位：mm）

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐

對(duì)巷道優(yōu)化支護(hù)效果進(jìn)行分析，選定上下煤層順槽部位進(jìn)行表面位移監(jiān)測(cè)，不影響正常施工任務(wù)的前提下對(duì)巷道頂板及兩幫距離運(yùn)輸巷巷10 m、30 m和50 m的位置依次布置3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用于監(jiān)測(cè)頂?shù)装寮皟蓭偷奈灰谱冃危敯灞O(jiān)測(cè)結(jié)果如下頁圖3 所示。

在支護(hù)初期，上部煤層的頂板下沉速度很快，下沉速度的平均值為0.72 m/d，在第50 天時(shí)，此時(shí)的頂板變形速度明顯下降，在第72 天時(shí)頂板的下沉量達(dá)到最大值52 mm，相比上煤層，下煤層下沉速度的平均值為0.78 m/d，在第58 天時(shí)，此時(shí)的頂板變形速度明顯下降，在第77 天時(shí)頂板的下沉量達(dá)到最大值60 mm，頂板的變形均在可接受范圍內(nèi)。

底板及兩幫監(jiān)測(cè)結(jié)果如下頁圖4 所示。

圖4 巷道圍巖位移變形曲線

在支護(hù)初期，上部煤層的底板的變形速度較快，變形速度的平均值為0.53 m/d，在第65 天時(shí)，此時(shí)的底板變形速度明顯下降，在76 天時(shí)頂板的下沉量達(dá)到最大值38mm。下煤層底鼓速度的平均值為0.92 m/d，在第77 天時(shí)底板變形量的最大值47 mm，頂板的變形均在可接受范圍內(nèi)。兩幫的變形量同樣可控，所以根據(jù)以上分析可以看出經(jīng)過支護(hù)優(yōu)化后，巷道變形量得到了明顯的控制，巷道穩(wěn)定性增加。

4 結(jié)論

1）通過理論分析，對(duì)錨桿支護(hù)機(jī)理進(jìn)行了研究，并給出了近距離煤層巷道支護(hù)時(shí)需要遵循的原則。

2）利用理論計(jì)算，得到了近距離煤層上部、下部巷道支護(hù)方案，為礦山巷道支護(hù)提供了一定的參考。并現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證該支護(hù)方案的可行性，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過支護(hù)優(yōu)化后巷道變形量得到了明顯的控制，巷道穩(wěn)定性增加。