張 鵬

（晉能控股裝備制造集團(tuán)寺河煤礦二號井，山西 晉城 048019）

1 工程概況

寺河煤礦二號井94316綜采工作面位于二水平九四盤區(qū)，主采9#煤層，煤層厚度為0.58～1.50 m，平均厚度1.10 m，平均傾角為3°，煤層總體賦存較穩(wěn)定，基本無夾矸層，但節(jié)理和裂隙比較發(fā)育。煤層頂板情況如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)

94316工作面平均埋深400 m，設(shè)計傾斜長度為133.5 m（中至中），走向長度為1 540 m。工作面平均采高為1.45 m。工作面東部為九四西盤區(qū)大巷、南為94315工作面(已回采)、西為實體煤、北為實體煤。工作面上部為寺河礦二號井3#煤的2306、2307工作面采空區(qū)及其煤柱，3#煤平均厚度為2.1 m，與9#煤層平均間距為5 m。為保證采空區(qū)下94316工作面的安全生產(chǎn)，需對其回采巷道的合理布置及支護(hù)方案進(jìn)行研究。

2 采空區(qū)下回采巷道合理布置

2.1 理論分析

94316工作面與2306、2307采空區(qū)的位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 94316工作面巷道布置形式

其軌道巷位于2306采空區(qū)下方，且靠近區(qū)段煤柱，其運輸巷位于2307采空區(qū)下方，在邊界煤柱附近。在上方殘留煤柱的支承壓力作用下，巷道圍巖容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，且巷道與上部煤柱邊緣的水平距離是影響其應(yīng)力集中程度的主要因素。因此，為使94316工作面的回采巷道避開上方殘留煤柱的高應(yīng)力區(qū)，其巷道與上方殘留煤柱邊緣的水平距離L應(yīng)滿足：

式中：b為9#煤與3#煤的平均間距，取5 m；M為9#煤層平均厚度，取1.1 m；α為9#煤層傾角，取3°；θ為上方煤柱支承壓力傳遞角，取40°。

經(jīng)過計算得出，94316工作面回采巷道與上方殘留煤柱邊緣的水平距離應(yīng)滿足：L≥4.9 m。

2.2 數(shù)值模擬

為確定合理的巷道布置方式，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，模擬分析上部殘留煤柱對底板中支撐壓力的影響規(guī)律。依據(jù)94316工作面的實際賦存條件建立模型，模型尺寸為：長×寬×高=400 m×200 m×100 m，根據(jù)工作面埋深，在模型頂部施加8.5 MPa的垂直應(yīng)力以模擬覆巖壓力，通過位移邊界條件對模型四周和底部進(jìn)行約束，為使模擬結(jié)果準(zhǔn)確度更高，采用fill命令模擬采空區(qū)垮落矸石。計算時，煤巖體的破壞準(zhǔn)則統(tǒng)一采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，煤巖體的物理力學(xué)參數(shù)如表2所示進(jìn)行賦參。

表2 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

2306、2307工作面回采后，其底板垂直應(yīng)力云圖如圖2所示。由圖2可知，2306工作面及2037工作面回采完畢后，區(qū)段煤柱和邊界煤柱下方底板中有明顯的應(yīng)力集中，而遠(yuǎn)離煤柱下方的底板中，應(yīng)力逐漸降低。

圖2 采空區(qū)底板垂直應(yīng)力云圖

將底板中的垂直應(yīng)力與原巖應(yīng)力相比，轉(zhuǎn)化成應(yīng)力集中系數(shù)并制成等值線圖，如圖3、圖4所示?？梢钥闯觯褐路降膽?yīng)力集中系數(shù)線較密集，采空區(qū)下方較稀疏，應(yīng)力集中系數(shù)為1.0的等值線是高應(yīng)力區(qū)和低應(yīng)力區(qū)的分界線。其中，在2306采空區(qū)下方，距區(qū)段煤柱邊緣水平距離約5.1 m處，底板開始進(jìn)入低應(yīng)力區(qū)；在2307采空區(qū)下方，距邊界煤柱水平距離約6.0 m處，底板開始進(jìn)入低應(yīng)力區(qū)。數(shù)值模擬得出的距煤柱水平距離與理論計算結(jié)果基本相近。

圖3 區(qū)段煤柱底板應(yīng)力集中系數(shù)等值線

圖4 邊界煤柱底板應(yīng)力集中系數(shù)等值線

考慮采空區(qū)下方存在動壓影響，對模擬得出的結(jié)果乘以1.5倍的安全系數(shù)，則94316軌道巷與上部區(qū)段煤柱邊緣的水平錯距應(yīng)不小于7.65 m，94316運輸巷與上部邊界煤柱邊緣的水平錯距應(yīng)不小于9.0 m。在實際應(yīng)用中，為便于施工及管理，94316軌道巷及運輸巷均按照距上部煤柱邊緣水平距離為9.0 m處布置。

3 采空區(qū)下回采巷道支護(hù)方案

3.1 巷道支護(hù)對策

根據(jù)采空區(qū)下方底板應(yīng)力分布規(guī)律及94316工作面實際條件，提出以下幾點支護(hù)對策：

（1）及時支護(hù)。由于巷道位于采空區(qū)下方，其頂板完整性差且較為破碎，在掘進(jìn)期間，應(yīng)降低掘進(jìn)循環(huán)距離，及時進(jìn)行主動支護(hù)，防止頂板出現(xiàn)進(jìn)一步的離層。

（2）保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的有效性。由于9#煤與3#煤的層間距較小，3#煤層開采過后，其底板受采動影響發(fā)生一定程度的破壞，可能導(dǎo)致錨桿無法有效錨固到穩(wěn)定的巖層中。在94316工作面回采巷道中對其頂板情況進(jìn)行了鉆孔窺視，發(fā)現(xiàn)3#煤開采后的底板破壞深度為1.2～1.8 m，基本貫穿了底板泥巖及中砂巖，但細(xì)砂巖層完整性較好，且強度較高，可以作為錨桿支護(hù)的錨固層。

（3）非對稱支護(hù)。由于煤柱下方的應(yīng)力呈非均勻分布，巷道承受著非均布載荷，因此，巷道在靠近煤柱側(cè)的頂板和巷幫容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，位移量相對較大。為避免巷道出現(xiàn)非對稱變形，需在巷道靠近煤柱側(cè)的頂板和巷幫分別采用單體及錨索進(jìn)行補強支護(hù)。

3.2 支護(hù)參數(shù)設(shè)計

94316軌道巷及運輸巷的斷面均為斜梯形，巷寬4.0 m，巷道中線高度2.8 m，支護(hù)形式及參數(shù)一致：頂板錨桿為直徑20 mm，長度2 200 mm的螺紋鋼錨桿，間距為800 mm，排距為1 000 mm，一排布置6根錨桿；頂錨索采用?17.8 mm×3 000 mm的鋼絞線，一排布置兩根，間距為1 600 mm，排距為2 000 mm，頂錨索下方鋪設(shè)金屬網(wǎng)并安設(shè)W鋼帶，以防止碎矸石掉落傷人，W鋼帶的排距為2 000 mm。另外，在靠近上部煤柱側(cè)采用單體支柱補強支護(hù)頂板。

兩幫采用與頂板相同規(guī)格的螺紋鋼錨桿，間距為800 mm，排距1 000 mm，最下排錨桿向下傾斜15°施工。同時，在靠近上部煤柱側(cè)的巷幫補打兩根?17.8 mm×3 000 mm的錨索，間距排距均為1 000 mm。具體支護(hù)設(shè)計如圖5所示。

圖5 巷道支護(hù)設(shè)計

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

為分析94316工作面回采巷道布置方式及支護(hù)方案的應(yīng)用效果，在巷道內(nèi)布置監(jiān)測站，采用十字布點法監(jiān)測巷道在掘進(jìn)期間及回采期間的圍巖變形量。監(jiān)測結(jié)果表明，在掘進(jìn)期間，軌道巷的頂?shù)装遄畲笠平繛?03 mm，兩幫最大移近量為81 mm；運輸巷的頂?shù)装遄畲笠平繛?16 mm，兩幫最大移近量為95 mm。在回采期間，軌道巷的頂?shù)装遄畲笠平繛?77 mm，兩幫最大移近量為103 mm；運輸巷的頂?shù)装遄畲笠平繛?25 mm，兩幫最大移近量為158 mm?？梢钥闯?，巷道圍巖整體的變形量均在可控范圍內(nèi)，保證了94316工作面的安全高效開采。

5 結(jié)論

1）通過理論分析及數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，確定出了94316工作面回采巷道的合理位置：應(yīng)布置在9#煤層距上部3#煤層殘留煤柱邊緣水平距離9.0 m處。

2）基于3#煤層采空區(qū)下方底板應(yīng)力分布規(guī)律及94316工作面實際條件，針對性地提出了采空區(qū)下94316回采巷道的支護(hù)對策，并對巷道的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計。

3）現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明：在回采期間，94316軌道巷頂?shù)装宓淖畲笠平繛?77 mm，兩幫最大移近量為103 mm；運輸巷頂?shù)装宓淖畲笠平繛?25 mm，兩幫最大移近量為158 mm。巷道整體穩(wěn)定性較好，驗證了技術(shù)方案的合理性。