近距離保護層開采下礦山巷道布置及支護技術(shù)研究

李子琛

（龍礦集團大恒煤業(yè)，山西 朔州 036002）

本文以寧武礦為研究對象，礦田總面積約為3000平方千米，地理坐標為東經(jīng)112°28′11″～112°30′54″，北緯39°26′06″～39°28′11″。石炭二疊紀近海型礦層厚度達到180m，包括上石炭統(tǒng)本溪組、太原組和下二疊統(tǒng)山西組，由碎屑巖、泥質(zhì)巖夾石灰?guī)r組成。含礦地層達到10余層，主要位于太原組內(nèi)，其中可采礦層5層～8層，礦層總厚度20m～30m，從北往南變薄。隨著淺部礦產(chǎn)資源開采完畢，急需向深部礦層進行開采，而在實際開采過程中面臨一些技術(shù)難題，近距離保護層開采便是其中之一。為了安全進行礦層的回采工作，同時提高采區(qū)回采率，對近距離保護層開采巷道布置及支護參數(shù)進行深入研究。

1 近距離保護層概述

近距離保護層的開采順序有下行式和上行式兩種：一般情況下都采用下行開采；在特定的地質(zhì)和開采條件下，采用的上行式開采順序時，其考慮的主要因素是下層的開采不能影響上層正常的準備和回采[1]。近距離保護層群下進行采礦活動，層間隔層的厚度越小，采掘時相互影響越大，特別是當間隔層厚度很小時，下層巷道掘進前間隔層的完整性已經(jīng)受到上層采動損傷破壞，間隔層的性質(zhì)己受到采空區(qū)水環(huán)境的影響。上層回采后直接頂冒落，老頂斷裂，區(qū)段礦柱造成的底板局部應力集中，覆巖水下礦壓顯現(xiàn)的情況導致間隔層應力環(huán)境和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，這些情況的出現(xiàn)使得下礦山巷道掘進支護面臨許多問題。

2 近距離保護層下礦山巷道位置選擇影響因素與確定方法

2.1 影響因素

礦柱用于支撐上覆圍巖和保護巷道的穩(wěn)定，礦柱的穩(wěn)定性對于上覆圍巖的控制至關(guān)重要，研究表明：礦柱在近距離礦層中是下部礦山巷道穩(wěn)定性的重要影響因素，礦柱寬度決定巷道受采動影響的損傷程度。在進行礦柱設(shè)計時需要注意以下幾個方面：①礦柱支承壓力，即礦柱承受的上部圍巖荷載；②礦柱的受力狀況，即礦柱所受荷載作用而在礦柱內(nèi)產(chǎn)生的應力特征；③礦柱自身的承載能力，即礦柱在保證自身穩(wěn)定情況下承受的最大荷載；④根據(jù)巷道重要性和工程因素而考慮的一定量的安全系數(shù)。

對于垂直和水平應力，按照礦柱投影區(qū)域內(nèi)外大致可分為礦柱投影內(nèi)應力升高區(qū)、礦柱投影外應力升高區(qū)和應力降低區(qū)。對于近距離保護層開采下礦山回采巷道可供選擇的內(nèi)錯、重疊、外錯三種布置方式，巷道分別位于以上三個區(qū)域。根據(jù)下層回采巷道布置到應力降低區(qū)有利于巷道維護的原則，以應力降低區(qū)作為巷道布置的主要研究對象。對于礦柱投影區(qū)外的底板存在著應力升高區(qū)和應力降低區(qū)，為了確定巷道位置，我們需要確定應力升高區(qū)與降低區(qū)的范圍，需要確定應力降低區(qū)距離礦柱邊緣的最小距離和應力降低區(qū)的劃分范圍。我們確定等于原巖應力的應力等值線作為劃分應力降低區(qū)的標準，以井壁投影線的夾角作為應力傳遞角。通過大量的實踐得知，近距保護層開采下礦山回采巷道盡管布置在了應力降低區(qū)，但是巷道仍然發(fā)生比較大的變形，這與應力分布的非線性造成應力變化率劇烈變化有關(guān)，在此我們稱作垂直應力變化的梯度。

2.2 下礦山巷道位置的確定方法

作為回采巷道，其層位已經(jīng)基本確定，即礦柱到下層資源的距離是一定，所以巷道位置的選擇主要取決于距離礦柱的水平距離。水平位置的判定標準：應力降低區(qū)分界線距礦柱邊緣水平距離xf，梯度降低區(qū)距離礦柱邊緣的距離xt。為保證巷道圍巖穩(wěn)定性，且易于維護，我們選取兩者之間的較大值作為巷道位置確定的水平參數(shù)。

應力降低區(qū)分界線距礦柱邊緣水平距離xf可按下式求得：

式中：xf-應力降低區(qū)分界線到礦柱邊緣的水平距離；hf-距礦層底板深度；α-礦層傾角；δ-底板垂直應力傳遞角；Xf0-應力降低區(qū)距礦柱邊緣的最小距離。

按照巷道位置盡量布置到垂直應力梯度降低區(qū)的要求，巷道距離礦柱邊緣的最低距離要大于xt。

因此，我們?nèi)ax[xf，xt]，作為巷道距礦柱邊緣的最小水平距離。這樣就可以完全確定下礦山回采巷道的位置。在應力降低區(qū)范圍內(nèi)布置回采巷道時，如果受能源回收率所限，無法完全把巷道布置到垂直應力梯度降低區(qū)內(nèi)時，可在巷道支護時考慮應力梯度帶來的影響，以達到更好的支護效果。

3 現(xiàn)場實施情況

井田總體為向斜構(gòu)造，北部構(gòu)造復雜類型屬中等，南部構(gòu)造復雜類型屬簡單。2018年，完成了4號、9號礦層配采項目驗收，允許回采礦層為4號、9號礦層。通過調(diào)查研究，礦井正常涌水量為40m3/h。未出現(xiàn)低溫低壓等異常現(xiàn)象。結(jié)合礦井以往的支護經(jīng)驗，我們在礦井4號一采區(qū)和9號一采區(qū)的42107工作面、91101工作面選擇合理的布置方式和支護參數(shù)，有效降低了巷道的變形破壞程度，實現(xiàn)了工作面安全回采。

3.1 選取的巷道支護形式

頂板錨桿間排距1000mm×1200mm，頂板每排打設(shè)5根錨桿，錨桿規(guī)格為Φ18×2000mm螺紋錨桿，每根錨桿使用1塊2360型樹脂錨固劑，錨固力要求不小于6t；幫部每排每幫各打設(shè)3根錨桿，第一根錨桿打設(shè)在頂板下400mm處，錨桿間排距900×1000mm，錨桿規(guī)格為Φ18×2000mm螺紋錨桿，每根錨桿使用1塊2360型樹脂錨固劑，錨固力要求不小于4t，并掛設(shè)金屬網(wǎng)；順巷每隔2排錨桿在巷中位置打設(shè)1組（2根）Φ15.24×8000mm錨索，錨索布置在前后兩排錨桿之間，錨索間排距2000×2400mm，每根錨索使用2塊2360型樹脂錨固劑，錨索預應力要求不小于10t。

3.2 現(xiàn)場實施效果

（1）對比以往采用的在上方礦層工作面礦柱下方垂直對應布置巷道的方式，采取內(nèi)外錯的布置方式后，大大減少了巷道的變形量，滿足了下方工作面安全回采的需要。

（2）下層能源與上層能源回采區(qū)域的布置方式有效的避開了應力疊加區(qū)域，巷道在掘巷初期呈現(xiàn)出一定變形后即趨于穩(wěn)定，在回采動壓影響期間變形量處于可控程度，能夠滿足現(xiàn)場生產(chǎn)需要。

（3）通過兩個工作面的現(xiàn)場實踐，采取的巷道支護設(shè)計對礦井各礦層的開采具有指導意義。

4 結(jié)語

通過對近距離保護層開采下礦山巷道布置及圍巖控制技術(shù)的研究，科學地進行回采工作面布置、礦山壓力控制，解決了近距離保護層能源開采中存在的實際問題，保證了巷道穩(wěn)定性，保證了礦山安全、高效開采。