極近距離下煤層回采巷道支護(hù)技術(shù)研究

張建華

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)呂梁有限公司，山西 呂梁 032300）

合理的巷道支護(hù)方案是保證工作面安全開采的前提，極近距離煤層由于上覆煤層采動應(yīng)力及區(qū)段煤柱集中應(yīng)力影響，煤層頂板發(fā)生塑性破壞，巷道支護(hù)難度加大[1-5]。結(jié)合金達(dá)煤業(yè)開采地質(zhì)條件，分析下部煤層回采巷道的合理支護(hù)參數(shù)，可為類似條件下巷道支護(hù)提供參考。

1 工程概況

金達(dá)煤業(yè)目前開采9、10 號煤，礦井生產(chǎn)規(guī)模為1.5Mt/a。10 號煤層位于太原組下部，厚度1.17~1.90m，平均1.57m，含0~2 層夾矸，與9 號煤層間距平均3.93m，煤層頂?shù)装寰鶠槟鄮r，基本頂為K2 石灰?guī)r。9 號煤層目前已大部分采空，受9號煤采動應(yīng)力及區(qū)段煤柱集中應(yīng)力的影響，10 號煤層的頂板發(fā)生破壞，回采巷道頂板控制難度增大。

10 號煤層10205 綜采工作面運(yùn)輸順槽及回風(fēng)順槽均沿煤層頂板掘進(jìn)，為半煤巖巷，巷道斷面為梯形。運(yùn)輸順槽掘進(jìn)上底寬度4.0m，下底寬度為4.8m，高度2.6m，掘進(jìn)斷面積為11.44m2。煤層特征見表1。

表1 主要可采煤層特征

2 數(shù)值模擬分析

2.1 下層煤圍巖應(yīng)力分布

上部9 號煤層開采后，圍巖應(yīng)力重新分布，采動應(yīng)力會造成煤層底板發(fā)生塑性破壞，加之10 號煤層與9 號煤層間距僅3.93m，加大了9 號煤底板即10 號煤的頂板的破壞程度。由圖1 可知，當(dāng)9號煤采空之后應(yīng)力重新分布，區(qū)段煤柱處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，右側(cè)15m 煤柱下方10 號煤垂直應(yīng)力16.47MPa，應(yīng)力集中系數(shù)1.95；左側(cè)20m 煤柱下方10 號煤垂直應(yīng)力15.28MPa，應(yīng)力集中系數(shù)1.81。在煤柱5m 范圍內(nèi)垂直應(yīng)力增大，支護(hù)困難。

圖1 9 號煤采空之后垂直應(yīng)力分布

2.2 掘進(jìn)時U型鋼棚受力分析

為分析不同棚間距架棚支護(hù)的受力情況，對棚間距為1m 和0.5m 時鋼棚受力進(jìn)行模擬分析，支護(hù)采用的U 型鋼屈服強(qiáng)度為355MPa，煤柱下方包括進(jìn)出煤柱5m 范圍內(nèi)。

（1）棚間距1m 時，順槽位于采空區(qū)下方，棚腿平均應(yīng)力值為266.9MPa，小于U 型鋼的屈服極限，可以滿足使用要求。在15m 煤柱下，棚腿平均應(yīng)力值為405.3MPa，大于U 型鋼的屈服極限；在20m 煤柱下，棚腿平均應(yīng)力值為379MPa，大于U 型鋼的屈服極限。因此在煤柱下方時U 型鋼棚將嚴(yán)重變形。

（2）棚間距0.5m 時，在15m 煤柱下，棚腿處平均應(yīng)力為234.9MPa，在20m 煤柱下，棚腿處平均應(yīng)力為213.6MPa，且在兩條煤柱下相對棚間距為1m 時，順槽圍巖的變形量和塑性區(qū)都有所減小，整體滿足使用要求。因此，當(dāng)順槽掘進(jìn)到煤柱下方，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)，鋼棚棚間距調(diào)整為0.5m。

2.3 回采時U型鋼棚受力分析

（1）采空區(qū)下方

對回采巷道圍巖距工作面不同距離處的塑性區(qū)、應(yīng)力分布、圍巖變形情況分析可知，在距工作面40m 處，回采巷道開始受工作面采動影響。因此，主要分析超前工作面40m 內(nèi)架棚支護(hù)受力情況。

由圖2 分析可知：① 回采巷道未受工作面采動影響時，應(yīng)力最大值位于棚腿處，且兩棚腿應(yīng)力大小幾乎相同，為255.15MPa，小于U 型鋼屈服強(qiáng)度355MPa，滿足支護(hù)要求；② U 型鋼棚的應(yīng)力值隨距離工作面的距離減小而增大，應(yīng)力最大值依然位于棚腿處，且非工作幫側(cè)棚腿應(yīng)力大于工作幫側(cè)棚腿應(yīng)力；③ 在距工作面10~15m 處U 型鋼棚應(yīng)力最大值為357.51MPa，超過了U 型鋼屈服強(qiáng)度，但是小于U 型鋼破壞強(qiáng)度510MPa，鋼棚會發(fā)生變形，但仍有一定的支護(hù)強(qiáng)度；④ 在工作面前方0~5m 時，U 型鋼棚應(yīng)力快速增大，最大可達(dá)555.71MPa，超出了U 型鋼的破壞強(qiáng)度，極易發(fā)生鋼體破斷事故，應(yīng)進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。為保證回采巷道安全，采空區(qū)下方回采巷道超前支護(hù)距離為30m。

圖2 U 型鋼棚位于本工作面前方不同位置處應(yīng)力分布圖

（2）15m 煤柱下方

在煤柱下方，回采巷道圍巖應(yīng)力變化較大，對工作面距離煤柱70m、50m、30m、10m、0m 時，煤柱下回采巷道架棚支護(hù)受力情況進(jìn)行分析。煤柱下方U 型鋼棚棚間距為0.5m，支護(hù)長度25m。

由圖3 可知：① U 型鋼棚上應(yīng)力最大處位于兩側(cè)棚腿處，為238.5MPa，與未采動前棚腿應(yīng)力值幾乎相同；② 隨工作面距煤柱的距離減小，U 型棚棚腿處應(yīng)力整體增大，最大應(yīng)力值達(dá)285.4 MPa，且隨工作面推進(jìn)，非工作面幫側(cè)棚腿應(yīng)力值高于工作面幫側(cè)；③ 支護(hù)采用U 型鋼屈服強(qiáng)度為355MPa，可以看出工作面距離煤柱 10m 時，煤柱下方U 型鋼棚滿足支護(hù)要求；④ 當(dāng)工作面位于煤柱下方，工作面前方5m 范圍內(nèi)棚腿的應(yīng)力值非常大，平均為422.4MPa，超出了U 型鋼的屈服強(qiáng)度，但是小于其破壞強(qiáng)度，所以鋼棚可能會出現(xiàn)彎曲變形，為了提高鋼棚的復(fù)用率，應(yīng)進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。因此，為保證回采巷道安全使用，當(dāng)過15m 煤柱時，超前支護(hù)距離為50m。

圖3 工作面距煤柱中心線不同位置時煤柱下方及進(jìn)出煤柱5m 內(nèi)U 型鋼棚應(yīng)力圖

（3）20m 煤柱下方

回采巷道過20m 煤柱時，由數(shù)值模擬可知，當(dāng)工作面距離煤柱不同距離時，煤柱下方的回采巷道圍巖塑性破壞程度、垂直應(yīng)力分布、圍巖變形情況以及U 型鋼棚應(yīng)力情況相對15m 煤柱下方的順槽較小，但是總體相差不大。為了保證20m 煤柱下回采巷道的穩(wěn)定性，當(dāng)順槽過20m 煤柱時回采巷道超前支護(hù)距離為60m。

3 巷道支護(hù)

3.1 支護(hù)方案

根據(jù)巷道頂板完整性將順槽巷道支護(hù)參數(shù)分為兩種情況：（1） 當(dāng)順槽位于9 號煤采空區(qū)下且頂板完整性較好，具有一定的自承能力時，棚架采用29U 型鋼制作，棚架梁凈寬3500mm，腿長2800mm，棚架間距1000mm，配六根拉桿，拉桿采用20 螺紋鋼制作，采用1300×120×50mm 的背板，見圖4 所示；（2）當(dāng)順槽位于9 號煤采空區(qū)下頂板不具完整性，沒有自承能力和順槽位于9 號煤煤柱下方時，棚架間距調(diào)整為500mm，其余參數(shù)不變。

3.2 支護(hù)效果

對巷道圍巖變形量進(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)煤柱下方的順槽圍巖變形量普遍大于采空區(qū)下方順槽圍巖變形量，且在15m 煤柱下順槽圍巖變形量較20m 煤柱下圍巖變形量大。順槽最大頂板下沉量為65mm，底臌量為10mm，頂?shù)装逡平繛?5mm，兩幫移近量39mm，順槽圍巖變形得到有效控制。對進(jìn)出煤柱5m 范圍內(nèi)和工作面超前區(qū)進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)后，U 型棚受力良好，沒有出現(xiàn)棚腿彎曲現(xiàn)象，U 型棚可以回收重復(fù)使用。

圖4 采空區(qū)下方頂板完整性好時順槽支護(hù)參數(shù)

4 結(jié)論

（1）回采巷道在9 號煤煤柱下方和進(jìn)出煤柱5m 范圍內(nèi)，回采巷道圍巖垂直應(yīng)力會變大，導(dǎo)致支護(hù)困難；位于采空區(qū)下方時，巷道圍巖應(yīng)力得到釋放，有利于10 號煤回采巷道的支護(hù)，但10 號煤頂板發(fā)生不同程度的塑性破壞，應(yīng)留意頂板情況，及時加強(qiáng)支護(hù)。

（2）回采巷道位于9 號煤采空區(qū)下方且頂板完整性較好時，棚架間距1m 可以滿足巷道支護(hù)要求，位于9 號煤采空區(qū)下頂板完整性差且沒有自承能力和位于9 號煤煤柱下方時，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)，棚架間距調(diào)整為0.5m。

（3）采空區(qū)下方10 號煤層綜采工作面回采巷道超前支護(hù)距離為30m；當(dāng)回采巷道過15m 煤柱時超前支護(hù)距離為50m；當(dāng)回采巷道過20m 煤柱時超前支護(hù)距離為60m。