采空區下極近距離煤層回采巷道支護設計研究

趙正軍

(煤炭工業太原設計研究院集團有限公司,太原 030001)

我國現有煤礦開采活動中,極近距離煤層開采占有很大一部分比例。在極近距離下進行下煤層開采活動時,上煤層的采動影響尤為突出,如上煤層的開采導致上部煤層底板發生破壞,故對于下煤層開采時的支護要求更高。上煤層開采后采空區遺留煤柱底部附近產生應力集中現象,故下煤層開采時要合理確定回采巷道的位置。目前,國內學者在極近距離煤層回采巷道合理位置確定及支護技術方面已取得一系列研究成果。孟浩[1]為確定近距離煤層群下行開采下位煤層巷道的合理位置,采用數值模擬、理論分析、底摩擦試驗及現場測試的方法,對殘留煤柱下底板應力分布規律和巷道圍巖變形破壞特征進行分析,確定了回采巷道的合理位置,較好地控制了圍巖變形。孟慶妮[2]以平煤六礦戊9-10-22310工作面為研究對象,對近距離煤層采空區下工作面巷道支護主要影響因素進行研究,并提出采用桁架錨索+錨網的支護方法。谷攀等[3]針對極近距離煤層采空區遺留煤柱造成巷道大變形的問題,運用理論計算和力學分析，研究了新旺煤礦3101工作面回采巷道頂板破壞特征與破壞機理,提出采用錨網索+錨注+釋壓聯合支護的方案。本文以嵐縣葛鋪煤礦4號煤層開采為工程背景,針對采空區下極近距離煤層回采巷道支護技術的難題,運用理論分析和數值模擬等方法,確定回采巷道的合理位置并設計具體支護方案,保證礦井正常采掘,為葛鋪煤礦4號煤層安全高效開采提供可靠技術支撐,實現礦井可持續發展。

1 工程概況

嵐縣葛鋪煤礦現開采一采區4-1號煤層,4-1號煤層開采至今僅剩余2個正規開采工作面,下一步將開采4號煤層。4號煤層煤厚0.40～3.43 m,平均2.31 m。4號煤層與上部4-1號煤層間距0.70～8.75 m,平均3.88 m,4-1號煤層與4號煤層均屬于極近距離煤層。因受4-1號煤層的回采影響,造成采空區的圍巖應力重新分布,在采空區遺留煤巖柱內產生應力集中,對4號煤層開采巷道布置和位置確定將有非常大的影響。根據表1所示的工程數據可知,本礦井4-1號煤層與4號煤層的最大層間距為8.75 m,最小層間距僅為0.7 m。受4-1號煤層的回采影響,4號煤層及頂板巖層破壞嚴重,因此對布置在采空區下的4號煤層開采巷道支護方式及支護強度提出了更高的要求。

基于以上分析,必須對本礦井4號煤層回采巷道的布置方式與支護參數進行研究,結合礦井工程地質條件進一步確定更加安全、經濟的巷道布置及支護方式,做到科學、合理、安全有效支護,為礦井安全生產提供技術支撐。

表1 4-1和4號煤層的工程數據Table 1 Characteristics of No.4-1 and No.4 coal seam

2 4號煤層回采巷道圍巖穩定性分析

2.1 回采巷道位置的布置

下煤層回采巷道位置宜選擇在上煤層采空區遺留煤柱形成的應力增高區影響范圍外,即應布置在應力降低區,以減少巷道維護[4-5]。研究表明,4-1號煤層采空區遺留煤柱形成的應力增高區在煤柱中心下方,影響過渡區在距煤柱中心水平距離10～20 m附近,應力穩定區為更遠的采空區內。因此,4號煤層回采巷道的位置應布置在距4-1號煤層采空區所遺留煤柱中心水平距離10 m之外的應力穩定區內。

2.2 下部煤層巷道破壞特征

前述分析表明,下部4號煤層開采巷道布置在上部4-1號煤層采空區遺留煤柱水平距離10 m外的應力穩定區內,可避開采空區遺留煤柱應力集中的影響。實際上,4號煤層距4-1號煤層的最大距離為8.75 m,最小僅為0.7 m,巷道圍巖受到破壞,圍巖結構失穩[2-4]。通過對下部煤層巷道因上部煤層開采而產生的受力及變形進行數值模擬,分析采空區下回采巷道的變形破壞特征,得出結果如圖1所示。

圖1 采空區下極近距離煤層巷道變形破壞特征Fig.1 Deformation and failure of coal roadways in ultra-close coal seam under goaf

從圖1中計算機數值模擬的結果看,受上部煤層工作面回采影響,下部極近距離煤層巷道頂板的破壞主要為拉伸、剪切破壞。拉伸破壞主要出現在頂板中部區域,剪切破壞主要出現在巷道頂板的端部。下部煤層巷道頂板出現明顯下沉,巷道頂板的位移主要是由拉伸破壞引起的豎向位移,同時巷道頂板還出現了剪切破壞,故頂板在水平方向還出現了橫向位移。

3 支護方案設計

3.1 4號煤層回采巷道支護方式的確定

結合表2的礦井工程地質物理力學測試數據和圖2、圖3的數值模擬結果可知,4-1號煤層底板巖層的水平應力隨深度增加而增大。在距離煤柱中心水平距離10 m，深度10 m處,底板的水平拉應力為5 MPa左右,大于底板砂質泥巖的最大抗拉強度2.20 MPa和細粒砂巖的平均抗拉強度3.77 MPa,故深度在10 m范圍內的底板巖層發生了不同程度的破壞。可見在4-1號煤層開采以后,4號煤層頂板已完全發生拉伸破壞,其頂板結構類型為散體結構或碎裂結構。

表2 4-1號煤層底板物理力學性質Table 2 Physical and mechanical properties of No.4-1coal seam floor

圖2 采空區遺留煤柱下方底板豎向應力集中系數等值線分布Fig.2 Contour distribution of floor vertical stress concentration rate below remaining coal pillars in goaf

圖3 4-1號煤層底板不同深度處的水平應力曲線Fig.3 Horizontal stress curves at different depths of No.4-1 coal seam floor

回采巷道的支護方式一般有架鋼棚支護、錨網帶支護、錨網帶索支護、錨網帶索(梁)支護、錨注支護或聯合支護等方式。由于極近距離煤層間隔小,部分區域間隔層厚度小于1 m,導致錨桿支護無法穩定錨固,限制了錨桿的使用。因此,需根據4號煤層開采巷道頂板條件來確定科學合理的支護方式。參照國內其他礦區極近距離煤層巷道支護實踐[5-7],結合本礦巷道地質力學評估結果,設計4號煤層回采巷道的支護方式為:1)對于松散結構頂板,以架鋼棚支護為主,以錨網帶索(梁)支護為輔;2)對于碎裂結構頂板,以錨網帶索(梁)支護為主,若遇地質特殊段,輔以架棚支護或其他支護。

3.2 回采巷道支護參數的確定

3.2.1工作面回采巷道錨桿支護參數設計

根據現場調查和巷道圍巖地質力學測試評估結果,確定4號煤層回采巷道圍巖屬于第Ⅴ類的極不穩定圍巖。采用動態設計方法,確定巷道支護的初始錨桿主要支護參數為:平均外徑22 mm,長度1.5～2.2 m,預緊力為錨桿屈服力的30%～60%,間排距0.6～1.0 m,全長錨固。錨桿的選擇方法如下。

1)錨桿材質。由于普通圓鋼錨桿存在桿體剛度低、強度低和螺紋部分直徑比桿體小、承載能力低等缺陷,其用量越來越少。本礦4號煤層回采巷道圍巖屬極不穩定圍巖,初步確定支護錨桿選用MG500型高強度左旋無縱肋螺紋鋼錨桿,其力學性能見表3。

表3 MG500型錨桿螺紋鋼的力學性能Table 3 Mechanical properties of MG500 bolt screw steel

2)錨桿直徑。當錨桿對巷道圍巖形成穩固的支護時,就可以有效控制巷道的頂板變形。已有研究成果表明,在相同情況下,錨桿桿體直徑越大，支護阻力會越大,且支護系統剛度也越大,支護效果會更好。同時,錨桿桿體直徑與鉆孔直徑要做到合理匹配。實踐表明,錨桿桿體直徑小于鉆孔直徑6～8 mm時匹配效果會更好。目前常用的錨桿直徑規格為16、18、20、22和25 mm,鉆孔孔徑為28～32 mm。在保證支護有效的前提下,為節約資源、減少樹脂和鋼材的用量,設計錨桿直徑為22 mm,鉆孔孔徑選擇28 mm。

3)錨桿長度。錨桿長度是影響巷道整個支護系統強度和剛度的重要因素之一。當回采巷道頂板裂隙發育較深時,錨桿的長度選擇應起到加大圍巖強化圈厚度的效果,提高頂板加固系統整體穩定性。因此,設計巷道兩幫錨桿長度為2.2 m,有效長度2.0m。頂板錨桿長度根據4號煤層與上部4-1號煤層實際間距來選擇確定。當實際間距大于2.2 m時,頂板錨桿長度為2.2 m;當實際間距大于1.5 m小于2.2 m時,頂板錨桿長度小于煤層間距;當實際間距小于1.5 m時,不再使用錨桿支護,改為架鋼棚支護。煤層間距為1.5～2.2 m時的順槽支護布置如圖4所示。

圖4 煤層間距為1.5～2.2 m的順槽支護布置圖Fig.4 Layout of gateway support (seam spacing between 1.5 and 2.2 m)

3.2.2回采巷道錨索支護參數設計

根據4號煤層的開采地質條件,確定選用的錨索材質類型為1×7股鋼絞線錨索。錨索長度的確定方法如下:錨索主要起懸吊作用,錨索固定于上部穩定的巖層中,減少重力對錨固區下沉運動的影響,提高錨固區壓縮拱的穩定性。根據懸吊理論,當巷道頂板有堅硬穩定巖層時,錨索在穩定巖層中至少有1.5 m的錨固長度;當巷道頂板為軟弱破碎巖層時,錨索長度要使其在自然平衡拱內有足夠的錨固長度。

因巷道圍巖為不穩定的泥巖和砂質泥巖,且受采動壓力影響,此處采用自穩平衡拱來確定錨索長度,公式如下:

LMS≥h+L1+L2.

(1)

式中:LMS為錨索長度,m;h為極限自穩平衡拱高度,m;L1為錨索錨固段長度,一般為1.5～1.8 m;L2為錨索外露長度,一般為0.15～0.25 m。

極限自穩平衡拱高度按下式計算:

(2)

式中:b0為順槽掘進寬度,膠帶和軌道順槽分別取4.5 m和4.0 m;h0為順槽掘進高度,取3.15 m;σt為頂板抗拉強度,取3.0 MPa;φ為頂板內摩擦角,取32.77°；p0為順槽頂板壓力,取20 MPa。

據此,計算得膠帶和軌道順槽極限平衡拱高度分別為3.26 m和2.90 m。按膠帶順槽計算錨索長度,則要求:

LMS≥H+L1+L2=3.26+1.5+0.15=4.91

根據礦井應用錨索的現狀,考慮到選用錨索長度最短為4.9 m,可根據層間距加長,最長取7.3 m。同時，考慮到錨索應在4號煤層頂板中至少留有0.2 m不錨固段效果較好,因此當4號與4-1號煤層間距超過5.1 m時,才可使用錨索支護。煤層間距大于5.1 m時的順槽支護布置如圖5所示。

圖5 煤層間距大于5.1 m的順槽支護布置圖Fig.5 Layout of gateway support (seam spacing larger than 5.1 m)

4 結論

以嵐縣礦區生產礦井4號煤層巷道圍巖工程地質條件為背景,采用動態設計法,綜合運用現場調研、工程類比、理論計算、數值模擬等方法,對嵐縣礦區極近距離采空區下回采工作面巷道支護技術進行分析研究,得出主要結論如下。

1)下部4號煤層回采巷道宜布置在距上部4-1號煤層采空區遺留煤柱中心線至少10 m外的采空區下方。其支護方式為:a.當煤層間距較大時,可主要采用錨網帶(梁)支護方式或錨網帶索(梁)支護方式。b.根據煤層實際間距不同,應分區選取支護方式。當煤層實際間距層小于1.5 m時宜采用架鋼棚支護；當煤層實際間距在1.5～5.1 m時可選用錨網帶(梁)支護方式；當煤層實際間距大于5.1 m時選用錨網帶索(梁)支護；在復雜的過渡區也可選用架鋼棚和錨網帶索聯合支護的方式。

2)根據巷道圍巖穩定性和巷道錨桿支護設計規范,確定4號煤層回采巷道初始設計支護參數為:錨桿材質選用MG500型高強度左旋無縱肋螺紋鋼錨桿,桿體直徑22 mm,桿體長度1.5～2.2 m,間排距0.6～1.0 m;當煤層間距大于5.1 m時選用錨網帶索(梁)支護方式,錨索最短4.9 m,最長不超過7.3 m。

3)在遇頂板破碎或斷層等地質構造段時,應根據實際情況將錨桿間排距做相應調整,適當加大支護密度,根據現場情況制定可行的支護方案。