煤層群開采采空區下回采巷道補強支護技術研究

閆 偉

(山西西山煤電股份有限公司 鎮城底礦，山西 古交 030203)

山西某礦批準開采煤層有3#上、3#、4#、9#及11#等煤層，開采煤層具有厚度大、煤層間距小等特點。現階段生產主要集中在3#及4#煤層，上覆的3#上煤層已基本回采殆盡，3#上、3#、4#煤層厚度分別為3.9 m、2.16 m、4.3 m，煤層層間距分別為4～7 m、5～20 m、3～12 m.礦井3號煤層回采巷道掘工作面位于3#上采空區(保護煤柱)下方，從3#煤層回采巷道掘進揭露圍巖條件來看，采空區下方的3#煤層頂板裂隙發育，局部存在較為明顯的破碎區，確保3#煤層回采巷道高效掘進及支護是實現煤層高效回采的關鍵之一[1-3]。文中就結合現場情況，提出回采巷道圍巖支護技術，以便為巷道快速掘進及安全使用創造良好條件。

1 工作面概況

3103運輸巷沿著回采的3#煤層底板掘進，巷道設計掘進長度為1 250 m，主要服務于3103綜采工作面進風、運輸等。3103運輸巷掘進范圍內3#煤層厚度在1.26～3.52 m，平均2.1 m，煤層傾角均值為7°.3#煤層頂板巖性為粉砂巖、砂質泥巖，底板巖性為泥巖、砂質泥巖以及細砂巖。

3103運輸巷原設計采用錨桿、鋼筋梯子梁、錨網方式進行支護，具體圍巖支護參數見表1所示。由于3#煤層上覆為已經回采完畢的3#上煤層采空區(保護煤柱)，受上覆采空區及煤柱等影響，3103運輸巷掘進支護后圍巖變形量較大，部分區域頂板下沉量甚至超過500 mm，若不針對性增強3103運輸巷支護強度，巷道在后續掘進及使用期間可能面臨垮頂或者圍巖支護體系失效等安全風險，給井下生產帶來較大的安全威脅。為此，文中就針3103運輸巷在上覆采空區及煤柱下掘進圍巖變形量大問題，通過數值模擬技術分析不同支護參數下圍巖變形特征，并給出圍巖支護方案，以便實現煤層群采空區下回采巷道安全高效掘進。

表1 3103運輸巷圍巖原支護參數

2 巷道支護數值模擬

受3#上采空區(保護煤柱)影響，3103運輸巷采用原有支護參數時，巷道頂板下沉量較大，需要針對性對圍巖進行補強支護。結合3103運輸巷掘進區域內現場地質條件以及鄰近礦井3#煤層回采巷道圍巖支護方案，提出采用單體+工字鋼方式對圍巖進行補強，以便增強巷道支護強度[4-5]。

2.1 模擬方案

通過FLAC3D軟件模擬分析1 m、2 m、3 m棚距時3103運輸巷圍巖變形、塑性區等分布情況，并通過綜合分析確定最佳棚距，在滿足圍巖控制基礎上盡量降低補強支護工作量。構建的模擬模型長、寬、高分別為150 m、50 m、80 m，具體頂底板及煤層巖性參數見表2.

表2 模擬巖層參數

2.2 模擬結果分析

2.2.1 運輸巷圍巖變形量分析

3103運輸巷原支護方案、補強支護方案(棚距1～3 m)等情況下圍巖變形量，具體變形量模擬結果見圖1.

圖1 巷道變形量模擬結果

從圖1看出，3103運輸巷采用原支護方案時，巷道圍巖變形量整體較大，其中監測得到頂板下沉量、左幫及右幫收斂量分別為256 mm、58 mm、39 mm；對3103運輸巷進行補強支護后，圍巖變形量較大問題得以明顯改善，特別是頂板下沉量明顯降低。頂板架棚棚距為1 m、2 m、3 m時頂板下沉量最大值分別為45 mm、52 mm、104 mm，頂板下沉量較原支護方案分別降低約80%、76%、52%.補強支護后運輸巷頂板下沉量均在安全范圍內，但棚距為1 m及2 m時頂板下沉量會明顯小于3 m棚距，1 m及2 m棚距時頂板支護強度更高，可更好的維持巷道頂板圍巖穩定。

2.2.2 圍巖塑性區分布

模擬得到3103運輸巷在原支護方案、補強支護方案(棚距1～3 m)等情況下的塑性區分布情況見圖2.

從圖2看出，3103運輸巷采用原支護方案時頂板塑性區分布范圍較大且頂板出現較為明顯的彎曲下沉情況；對頂板進行補強后，頂板塑性區分布范圍均明顯降低，棚距1 m、2 m及3 m時頂板塑性區分布范圍相差不大，表明采取的補強支護技術可滿足3103運輸巷頂板控制需要。

圖2 圍巖塑性區分布模擬結果

采用FLAC3D對3103運輸巷圍巖變形、塑性區分布分布情況等進行分析，采用單體+工字鋼架棚方式對巷道頂板進行補強加固后，頂板下沉量過大問題得以較好解決。棚距1 m、2 m時頂板下沉量控制效果會明顯優于3 m棚距，但是棚距1～3 m時圍巖塑性區分布等類似。棚距1 m、2 m時頂板變形控制效果接近，但是1 m棚距時需要耗費更多的人力、物力等資源，結合現場需要以及補強支護經濟效益等，決定巷道頂板架棚棚距為2 m.

3 圍巖支護方案確定及支護效果分析

3.1 支護方案

根據數值模擬結果得知，3103運輸巷在3#上煤層采空區(保護煤柱)下掘進完成后，在巷道原有錨桿+金屬網支護工藝基礎上，需采用單體+工字鋼方式對頂板進行補強，方案實現巷道圍巖變形有效控制。頂板補強用架棚棚距統一為2 m，具體巷道支護斷面見圖3.架棚采用11#工字鋼，單體型號為DW28-250/100.

圖3 3103運輸巷支護斷面(mm)

3.2 支護效果

對3103運輸巷進行補強加固后，對圍巖變現情況進行持續監測，現場監測發現圍巖支護完成60～90 d后圍巖變形基本趨于穩定，現場布置的3個測站圍巖變形監測結果見表3.從監測結果看出，3103運輸巷采用錨矸+鋼筋梁+錨網+架棚(補強支護)后，巷道頂板下沉量、巷幫變形量均在允許范圍內，其中頂板最大下沉量、兩幫最大收斂量分別為59.7 mm、45.6 mm，采用的圍巖支護方案可滿足采空區下巷道圍巖控制需要。

表3 3103運輸巷圍巖變形監測量

4 結 語

1) 3103運輸巷位于3#上煤層采空區下，巷道在上覆采空區保護煤柱下掘進時會遇到應力增高區，同時受到3#上煤層開采導致3#煤層頂板巖體裂隙較為發育。3103運輸巷掘進采用的錨桿+錨網+鋼筋梁方式不足以滿足巷道圍巖控制需要，現場應用時表現出頂板下沉量大問題，同時由于頂板裂隙發育存在有垮頂風險。為確保3103運輸巷頂板穩定，提出采用單體+工字鋼方式對頂板進行補強加固。

2) 通過FLAC3D軟件對巷道原支護方案以及架棚補強(棚距1 m、2 m及3 m)時圍巖變形、塑性區分布進行分析，并結合鄰近礦井巷道支護設計以及補強支護經濟性，最終確定補強加固棚距為2 m.架棚用DW28-250/100單體+11#工字鋼。

3) 3103運輸巷補強加固后，對加固段圍巖變形進行持續監測，發現支護完成后60～90 d圍巖變形即趨于穩定，巷道頂板下沉量及巷幫收斂量均在安全范圍內，采用的支護方案可滿足采空區下巷道圍巖控制及后續使用需要。