復采綜放工作面下覆開拓大巷安全控制技術＊

白向東

(山西晉城煤炭規(guī)劃設計院，山西省晉城市，048000)

在煤炭復采過程中，由于原有小煤礦的開采系統(tǒng)復雜和無序，出現(xiàn)了很多影響煤炭回收的難題，比如巷道位置關系復雜、通風系統(tǒng)混亂和煤層煤柱留設不統(tǒng)一等。本文針對回收煤柱的復采工作面下覆開拓大巷對綜放面造成的安全隱患，研究了相應的控制技術，并在ZF302綜放面開采時進行了大巷加固實踐，取得了良好的效果。

1 現(xiàn)場概況和存在的問題

山西蘭花集團莒山煤礦有限公司位于晉城市東北18km處，井田面積為9.0214km2，批準開采3＃～15＃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3＃煤層遺留煤柱進行回采，是提高煤炭資源回收率，延長礦井服務年限的重要手段之一。礦方對3＃煤層遺留煤柱進行了全面調查篩選，將在六采區(qū)大巷煤柱布置ZF302放頂煤工作面進行回采。

3＃煤層位于山西組中下部，厚度為5.50～8.15m，平均厚6.13m。煤層頂板為砂質泥巖或泥巖，底板為泥巖或砂質泥巖。由于該區(qū)域原六采區(qū)運輸大巷位于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ZF302工作面安全回采造成較大的影響，可能會出現(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)運輸大巷的位置關系見圖1。

圖1 回采巷道與下覆運輸大巷的位置關系

綜放面開采過程中可能會存在如下問題。

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

(2)綜放開采對底板的擾動范圍大，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進一步影響巷道的穩(wěn)定。

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

(4)綜放面在開采每一刀煤時都會經(jīng)過下覆開拓巷道上部，巷道頂板下沉可能會導致采面設備的下陷。

2 綜放面下覆巷道圍巖松動圈測試

巷道圍巖松動圈的大小反映巷道圍巖應力是否超出巖石 (體)的抗壓強度，是與圍巖強度和圍巖應力相融合的一個綜合指標，可以直接反映測試巷道圍巖維護的難易程度，是進行巷道圍巖穩(wěn)定性評價和支護設計的重要依據(jù)。

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

根據(jù)現(xiàn)場具體情況，在六采區(qū)運輸大巷選擇與ZF302采面不同層間距的3處測站。測站Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分別距離ZF302采面約16m、12m和8m。每個測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行測試。六采區(qū)運輸大巷3處測點圍巖松動圈測試結果見表1。

表1 六采區(qū)運輸大巷圍巖松動圈測試結果

松動圈實測結果表明莒山煤礦六采區(qū)運輸大巷的圍巖松動圈厚度小于1.5m，屬于中小松動圈，巷道穩(wěn)定性較好。但得注意的是，3處測站的頂板松動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)場鉆孔探測，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 綜放面開采對下覆巷道影響數(shù)值模擬

按照綜放面實際地質條件和巷道尺寸建立計算模型，分析ZF302采面回采對其下部近距離開拓巷道的影響。

圖2 計算機數(shù)值模擬模型的巷道位置關系

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)場地質生產(chǎn)條件采用FLAC3D建立模型研究綜放面開采對下部巷道圍巖應力和變形的影響。計算模型選取鉛垂向為y方向，水平方向為x方向，沿煤層走向為z方向。考慮到開采變形的影響范圍，確定計算模型的尺寸為150m×80m×600m (x×y×z)，圍巖本構關系采用摩爾-庫侖模型。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)綜放面開采的設計尺寸，主要針對綜放面開采進度對下覆開拓巷道影響設計不同的模擬方案，重點監(jiān)測綜放面圍巖應力變化以及開拓巷道幫部圍巖應力的變化情況。模擬結果見圖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)由于煤層的開挖導致應力釋放，形成了方形的應力降低區(qū)；相應地，在采空區(qū)周圍的煤體和煤柱內(nèi)部形成了應力集中區(qū)，對于綜放面下部20m范圍內(nèi)的六采區(qū)運輸大巷位于工作面前方的5～25m范圍內(nèi)，出現(xiàn)了應力升高區(qū)，最大靜集中應力超過40MPa，由于采動造成的瞬時集中應力可能更高，對大巷造成嚴重擾動，產(chǎn)生變形和破壞，因此，對下部巷道需要在工作面影響前進行相應的加固。

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

4 ZF302采面下部巷道加固方案與實踐

根據(jù)現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬研究結果可知，由于運輸大巷服務變形時間長導致碹體與圍巖之間存在較大空隙區(qū) (現(xiàn)場打孔實測結果在0.2m左右)，為提高支護結構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。從現(xiàn)場實際情況和現(xiàn)有技術水平考慮，對于與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”預加固和回采影響期間 “鋼梁＋單體液壓支柱”動態(tài)超前加強支護相結合的方案進行維護。詳細加固方案如下:

(1)壁后注漿充填。注漿材料的選擇是注漿技術中的重要組成部分。根據(jù)現(xiàn)場條件確定采用水泥-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的無縫鋼管加工，規(guī)格?26mm×500mm，孔深1000mm，每個斷面布置5根注漿短管，排距1.4m。見圖5。

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

選用規(guī)格為?18mm×6300mm的高強度、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，另一排在兩個拱肩處對稱布置兩根)，預拉力為100kN。

(3)“鋼梁＋單體液壓支柱”動態(tài)超前加強支護。根據(jù)理論分析和數(shù)值模擬結果，從采面液壓支架尾部開始往前 (采面推進方向)60m長度范圍內(nèi)的下部巷道進行動態(tài)加強支護，隨著采面往前推進在前部架設支架的同時將后部的支架拆除。架柱式支護見圖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。支架支設密度為每1 m巷道架設1排。

架設單體液壓支柱時要保證支柱與工字鋼橫梁間連接牢靠，每兩根槽鋼拱梁之間用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。

在對六采區(qū)運輸大巷進行支護加固實踐過程中，要根據(jù)現(xiàn)場鉆孔情況確定巷道頂板與ZF302工作面底板的距離，隨時調整支護方式。

在巷道加固施工完成后，對ZF302綜放面進行了開采實踐，從對巷道的頂板下沉量觀測結果和綜放面機械設備在開采到開拓巷道上方時的下沉情況看，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，但是下沉量最大沒有超過186mm，綜放面實現(xiàn)了安全開采，而且下覆六采區(qū)運輸大巷的臨時支護材料也實現(xiàn)了安全回收。

5 結論

在ZF302綜放工作面開采時，通過對其下覆六采區(qū)運輸大巷采取 “壁后充填＋錨桿＋鋼筋網(wǎng)＋錨索”預加固和回采影響期間 “鋼梁＋單體液壓支柱”動態(tài)超前加強支護相結合的支護方式，通過重點控制巷道頂板下沉量來降低回采面回采期間可能出現(xiàn)的底板破壞和設備下陷問題，取得了較好的效果，復采綜放工作面的煤柱實現(xiàn)了安全回收。

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