李松峰，陳軍鋒

(1.山西工程職業(yè)學(xué)院，山西 太原 030032；2.太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024)

近距離煤層群上部煤層采出后，導(dǎo)致下部煤層的圍巖完整性、巷道周圍的支護(hù)及應(yīng)力環(huán)境發(fā)生變化，下部煤層開采過程中容易發(fā)生頂板垮落、已采上煤層采空區(qū)的有毒有害氣體溢出等安全事故[1-2]。因此，下部煤層開采時(shí)的巷道支護(hù)等圍巖穩(wěn)定性問題成為近距離煤層群開采過程中急需解決的問題之一。

岳喜占等[3]研究了上煤層開采后邊界煤柱底板巷道的橢圓應(yīng)力拱結(jié)構(gòu)，確定了底板巷道應(yīng)力影響因素；戴文祥等[4]通過理論計(jì)算、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐等研究了近距離煤層強(qiáng)擾動(dòng)巷道的布置及支護(hù)方式，通過優(yōu)化支護(hù)方式及支護(hù)參數(shù)，采用“錨網(wǎng)鋼帶”聯(lián)合支護(hù)可以優(yōu)先控制巷道變形；谷攀等[5]對(duì)極近煤層巷道的變形進(jìn)行分析，研究了巷道應(yīng)力、塑性區(qū)的變化規(guī)律，提出了聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，與原支護(hù)技術(shù)相比位移量減小了3/4，應(yīng)用效果良好；趙象卓等[6]研究了近距離巷道布置問題，通過模擬、理論研究了上煤層對(duì)下煤層開采的影響，提出了巷道跨煤柱布置方式，解決了煤層群巷道支護(hù)與開采問題；王龍飛等[7]根據(jù)煤柱底板應(yīng)力規(guī)律分析了巷道層間距變化的影響，提出了回采巷道聯(lián)合支護(hù)方式，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證了聯(lián)合支護(hù)方式的合理性；董超偉等[8]研究了大傾角分叉煤層下分層巷道合理布置問題，解決了回采巷道的技術(shù)難題；黃萬朋等[9]研究了近距離煤層開采巷道的合理布局問題，通過對(duì)內(nèi)錯(cuò)式和外錯(cuò)式的對(duì)比分析，在現(xiàn)場(chǎng)較好地解決了煤礦巷道的位置選擇問題。近距離煤層下煤層回采巷道的合理布置及支護(hù)問題已被廣泛探索和實(shí)踐，取得了一定的研究成果[10-11]。筆者以唐山溝煤礦正在開采下層13#煤為實(shí)踐背景，研究回采巷道距離底板不同深度的應(yīng)力集中程度，以及下部煤層巷道距離上方煤柱邊緣合理的平面距離，在此基礎(chǔ)上根據(jù)應(yīng)力不同提出不同的巷道支護(hù)方案。為13#煤層的開采、回采巷道的合理布置及支護(hù)提供了理論依據(jù)和借鑒方案。

1 工程背景

唐山溝煤礦主采煤層為8#、12#和13#煤，12#煤層開采已接近尾聲，12#煤層開采完后，下部13#煤層將開始開采，12#和13#煤層的平均間距為4.85 m，屬于近距離或極近距離煤層。下部13#煤層開采時(shí)會(huì)受到上覆已采煤層采空區(qū)的影響，頂板破碎，巷道支護(hù)困難。13#煤層回采巷道須采取有效措施進(jìn)行支護(hù)，保證巷道支護(hù)效果及煤層開采過程中的安全，以免對(duì)礦井安全生產(chǎn)帶來不利影響。

13#煤層頂板為粉砂巖，頂板無明顯的淋水現(xiàn)象。該煤層距地表較近，應(yīng)力相對(duì)集中，但沖擊傾向鑒定及評(píng)價(jià)為無沖擊地壓。煤巖層綜合柱狀圖見圖1。

圖1 唐山溝煤礦煤巖層綜合柱狀圖

2 塑性理論計(jì)算底板最大破壞深度

近年來國內(nèi)外學(xué)者在采場(chǎng)底板破壞方面做了大量的研究[12-14]，結(jié)合相關(guān)科研成果，采空區(qū)底板破壞邊界可用滑移線場(chǎng)表示。同時(shí)，采空區(qū)底板由于煤層開采后應(yīng)力重新分布，在煤柱支承壓力作用下滑移線場(chǎng)將由3部分構(gòu)成，如圖2所示，其中主動(dòng)承載區(qū)為aa′b、過渡區(qū)為abc、被動(dòng)承載區(qū)為acd。

圖2 煤層底板最大破壞深度計(jì)算簡圖

在極限支承壓力作用下，采空區(qū)邊緣煤柱屈服區(qū)下方底板將產(chǎn)生塑性變形并出現(xiàn)水平方向的膨脹(Ⅰ 區(qū))。巖體膨脹擠壓過渡區(qū)(Ⅱ 區(qū))巖體實(shí)現(xiàn)應(yīng)力傳遞，過渡區(qū)的巖體繼續(xù)變形擠壓被動(dòng)區(qū)(Ⅲ 區(qū))巖體，由于被動(dòng)區(qū)上方為自由面，因此產(chǎn)生底鼓現(xiàn)象。這3個(gè)區(qū)域的線段構(gòu)成如下：主動(dòng)區(qū)與被動(dòng)區(qū)為2條直線a′b、cd，過渡區(qū)為曲線bec[15-16]。曲線方程如下：

r=r0eθtan φ0

(1)

式中：r為螺旋線半徑;r0為線段ab長度；θ為r與r0夾角；φ0為煤的內(nèi)摩擦角。

煤層底板巖體最大破壞深度計(jì)算推導(dǎo)：

(2)

h=rsinα

(3)

(4)

式中xa為煤柱與過渡區(qū)的距離。

由公式(1)～(4)得：

(5)

(6)

(7)

可以求出煤層底板巖體破壞區(qū)的最大破壞深度hmax：

(8)

最大破壞深度至煤柱邊緣水平距離L1：

L1=hmaxtanφ0

(9)

最大破壞深度至破壞區(qū)邊界距離L2：

(10)

依據(jù)以上推導(dǎo)公式，將煤層各參數(shù)代入得：hmax為9.2 m；L1為5.0 m；L2為15.5 m。

3 煤層群開采底板支承壓力分布規(guī)律

3.1 模型建立

由于近距離煤層群開采時(shí)采空區(qū)破壞特征與下層煤回采巷道穩(wěn)定性密切相關(guān)[17-18]，因此在煤層傾向方向取兩個(gè)工作面長度進(jìn)行研究，結(jié)合唐山溝礦的實(shí)際地質(zhì)條件，設(shè)置模型的尺寸：長260 m，寬60 m，高50 m，上層12#煤采空區(qū)寬度取100 m，兩邊各留20 m煤柱。1120膠帶運(yùn)輸大巷布置于下層13#煤中，與上層12#煤采空區(qū)斜交。本模型所用煤巖石力學(xué)參數(shù)取自礦井重組地質(zhì)說明書，其他巖層參數(shù)參考鄰近礦區(qū)同位巖層的物理力學(xué)參數(shù)。數(shù)值模擬模型如圖3所示。

圖3 數(shù)值模擬模型圖

3.2 底板應(yīng)力分布規(guī)律

為了便于分析煤層底板應(yīng)力分布特征，在12#煤底板下方0.8、2.4、4.0、5.6、7.2、8.8 m處設(shè)置6條水平監(jiān)測(cè)線，測(cè)線自煤柱中心線起向采空區(qū)方向長 130 m，每1.0 m提取一個(gè)點(diǎn)。將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制成曲線，以模型左邊界為0點(diǎn)，0～20 m為邊界煤體，20～120 m為采空區(qū)，120～140 m為區(qū)段煤柱，140～240 m為采空區(qū)，240～260 m為邊界煤體。通過FLAC3D模型，運(yùn)算得到模型空間內(nèi)垂直應(yīng)力分布情況。

12煤層埋深約240 m，上覆巖層體積力為 25 kN/m3，原巖垂直應(yīng)力約為6 MPa。上部12#煤層開采后，12#煤層的底板即下部13#煤層的頂板巖層受到影響，應(yīng)力再次平衡，形成不同的應(yīng)力區(qū)。其中，模型左右兩側(cè)煤體下方0～20、238～260 m，采空區(qū)中部壓實(shí)區(qū)48～82、172～208 m，以及模型中部煤柱下方120～140 m為應(yīng)力增高區(qū)，采空區(qū)兩側(cè)與煤柱之間形成應(yīng)力降低區(qū)(20～48、82～120、140～172、208～238 m)。

巷道布置于底板不同區(qū)域時(shí)的應(yīng)力分布如圖4所示。由圖4可知，巷道布置在采空區(qū)下方應(yīng)力降低區(qū)，巷道周圍應(yīng)力較小，巷道頂板應(yīng)力為1～2 MPa，巷道左幫應(yīng)力為3 MPa，巷道右?guī)兔褐膽?yīng)力為8 MPa；巷道布置在應(yīng)力增高區(qū)，巷道頂?shù)装鍛?yīng)力為7 MPa，巷道幫部應(yīng)力可達(dá)13 MPa。

(a)巷道布置于采空區(qū)下方應(yīng)力降低區(qū)

分析模型中部煤柱下方不同距離(0.8、2.4、4.0、5.6、7.2、8.8 m)應(yīng)力分布，如圖5所示。

圖5 煤柱下方底板不同深度支承壓力分布圖

為確定合理的巷道布置位置，以低于原巖應(yīng)力的1.0 MPa作為邊界，對(duì)模型中部煤柱下方0.8～8.8 m區(qū)域進(jìn)行分段分析，巷道距離煤柱邊緣至采空區(qū)方向合理的平面法向距離：當(dāng)模型中部煤柱下方距離小于4.0 m時(shí)，煤柱底板支承壓力峰值超過2倍原巖應(yīng)力，并隨著至煤層底板距離的減小而急劇增大；模型中部煤柱下方距離3.25～4.50 m為支承壓力峰值區(qū)域，巷道布置于此區(qū)域維護(hù)難度最大，合理的巷道布置位置需距模型中部煤柱下方2.0～5.5 m以上；當(dāng)與12#煤層底板距離大于 4.0 m 時(shí)，煤柱底板支承壓力峰值低于2倍原巖應(yīng)力，煤柱邊緣至中心線方向距離 5.25～10.00 m為支承壓力峰值區(qū)域，巷道布置于此區(qū)域維護(hù)難度較大，最佳的巷道布置位置在距離煤柱邊緣平面法向距離7.0～10.0 m以上。因此，需根據(jù)巷道所處應(yīng)力環(huán)境的不同，提出相對(duì)應(yīng)的支護(hù)方案。

為了選擇合適的巷道斷面形狀，模擬對(duì)比分析了矩形巷道和弧頂直墻巷道在采空區(qū)下方布置時(shí)的應(yīng)力分布，矩形巷道應(yīng)力分布見圖4(a),弧頂直墻巷道應(yīng)力分布如圖6所示。對(duì)比圖4(a)和圖6可見，矩形巷道頂板處會(huì)產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，而弧頂直墻巷道應(yīng)力分布較均勻，幫部無明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。根據(jù)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)施工條件，最終選擇弧頂直墻巷道。

圖6 采空區(qū)下方弧頂直墻巷道應(yīng)力分布圖

4 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

巷道支護(hù)參數(shù)如圖7所示。巷道斷面形狀為弧頂直墻，巷道底寬4.0 m，中高2.8 m，墻高1.5 m，斷面面積為10.6 m2；采用架設(shè)U型鋼拱形支架+錨桿索+注漿聯(lián)合支護(hù)方式。

圖7 巷道支護(hù)參數(shù)示意圖

1)架棚：巷道開挖后先鋪金屬網(wǎng)緊貼巖面，再架設(shè)U型鋼棚，棚距600 mm(煤層間距小于2.0 m時(shí)，棚距調(diào)整為300～400 mm)，架設(shè)的鋼棚要背實(shí)背嚴(yán)頂板及兩幫。

2)頂錨桿：從頂板正中位置開始依次向兩側(cè)布置5根?20 mm×2 200 mm錨桿，錨桿間排距為 1 000 mm×600 mm，錨桿垂直巖面施工安裝。

3)幫錨桿：布置2根錨桿，錨桿規(guī)格?18 mm×2 000 mm，間排距1 000 mm×600 mm，錨桿垂直巖面施工安裝。

4)頂板注漿：利用注漿鋼管進(jìn)行頂板注漿，每兩排錨桿布置3根注漿錨桿，間排距2 000 mm×1 200 mm，注漿孔深度需進(jìn)入采空區(qū)。鋼管規(guī)格?20 mm×2 500 mm。為了防止上覆采空區(qū)有毒有害氣體的侵入，注漿所用材料選擇普通水泥，水灰比為0.8～1.0，注漿壓力在2.5 MPa以上。

5)頂錨索：在每兩排錨桿頂板肩角位置布置2根單體錨索，單體錨索規(guī)格?17.8 mm×5 300 mm，托盤采用400 mm×400 mm×12 mm和200 mm×200 mm×10 mm 雙鐵托盤，錨索間排距3 000 mm×1 200 mm，錨桿垂直巖面向頂板中部偏斜3°～5°施工安裝。

6)噴漿封閉：噴射厚度100～120 mm混凝土，密實(shí)圍巖。

5 礦壓觀測(cè)及支護(hù)效果

采用十字交叉法對(duì)巷道表面位移進(jìn)行觀測(cè)[19-21]，在巷頂板中部及幫部距底板約500 mm處設(shè)置基點(diǎn)。巷道圍巖變形量曲線和變形速度曲線如圖8～9所示。

圖8 巷道圍巖變形量曲線

圖9 巷道圍巖變形速度曲線

由圖8～9可知，巷道表面變化最大的時(shí)間為巷道支護(hù)后的5 d內(nèi)，兩幫最大移近量約為250 mm；頂板下沉速度在第4天達(dá)到最大，最大下沉量在80 mm左右；部分地段頂板錨索、錨桿托盤外翻，但沒有出現(xiàn)錨桿破斷及錨索抽絲現(xiàn)象；試驗(yàn)巷段底鼓量不大，約為50 mm。隨著巷道支護(hù)時(shí)間的延長，巷道逐漸穩(wěn)定，圍巖基本保持了完整，沒有對(duì)巷道維護(hù)產(chǎn)生較大影響。

在極近距離煤層群下行開采的條件下，工作面及巷道位置的合理選擇，一次性高強(qiáng)度支護(hù)，可為礦井的安全生產(chǎn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，其創(chuàng)造的間接經(jīng)濟(jì)效益大大超過其直接經(jīng)濟(jì)效益，該項(xiàng)支護(hù)技術(shù)可以在類似條件下推廣應(yīng)用。

6 結(jié)論

1)極近距離煤層開采下部煤層巷道維護(hù)的關(guān)鍵在于巷道所處的應(yīng)力環(huán)境。通過數(shù)值模擬分析得出，當(dāng)距12#煤層底板距離小于4.0 m時(shí)，煤柱底板支承壓力峰值超過2倍原巖應(yīng)力，并隨煤層底板距離的減小而急劇增加，煤柱邊緣至中心線方向距離3.25～4.5 m為支承壓力峰值區(qū)域，巷道布置于此區(qū)域維護(hù)難度最大。合理的巷道布置位置需距煤柱邊緣向采空區(qū)方向平面法向距離在2.0～5.5 m以上。

2)依據(jù)巷道所處應(yīng)力環(huán)境的不同，提出針對(duì)性的巷道支護(hù)方案：“U型鋼拱形支架+錨桿索+注漿”聯(lián)合支護(hù)。

3)巷道表面變化最大的時(shí)間為巷道支護(hù)后的5 d內(nèi)，兩幫最大移近量約為250 mm；頂板下沉速度在第4天達(dá)到最大，最大下沉量在80 mm左右。隨著巷道支護(hù)時(shí)間的延長，巷道逐漸穩(wěn)定。