徐 楊

(韓城礦業(yè)有限公司象山礦井，陜西 韓城 715400)

0 引言

為了確定21305工作面上行開采開掘巷道順槽的合理位置、支護參數(shù)及方案，象山礦井聯(lián)合西安科技大學(xué)黃慶享教授及其團隊通過物理模擬、工程類比法等手段，掌握了21503工作面頂板垮落“三帶”高度和工作面傾向頂板巖層破斷角。在分析確定21305工作面順槽的合理位置以及預(yù)判裂隙帶內(nèi)3#煤層及頂?shù)装逋暾院?，嘗試揭示21305工作面頂板來壓規(guī)律，以期確定合理的支護參數(shù)及支護方案。

1 工程概況

1.1 工程背景

象山礦井設(shè)計開采3#、5#煤層，北一、南一采區(qū)正在開采3#煤層和5#煤層。南一采區(qū)5#煤層21503工作面已采，煤層大部分厚度為2.0～2.95 m，平均厚度2.65 m，傾角平均為3°，埋深470.6～572.7 m，地質(zhì)構(gòu)造簡單，走向和傾向上地層起伏變化不大。5#煤層上部的3#煤層21305工作面未開采，煤層厚度1.7～2.1 m，平均1.91 m，兩煤層間距17～26 m，層間距較穩(wěn)定。

21305工作面位于21503采面下部的采空區(qū)強裂隙帶內(nèi)，順槽掘進期間可能伴隨漏風(fēng)現(xiàn)象，開掘巷道具有一定的風(fēng)險，因此，確定順槽位置、合理選擇支護參數(shù)及支護形式顯得尤為重要。

1.2 工作面概況

21503工作面：該工作面位于南一上山采區(qū)，屬5#煤層第3個綜采工作面，工作面2014年4月份開始回采，2015年2月份回采結(jié)束。工作面東部與21502綜采工作面采空區(qū)以35 m煤柱相隔；南部與南一5#煤邊界上山相接以30 m煤柱相隔；西部與南一5#煤膠帶輸送機大巷留有120～250 m煤柱；北部為5#煤層變薄帶為界，上覆3#煤層均未開采。工作面埋深470.6～572.7 m，切眼寬度180 m，工作面面積151 074 m2，可采面積132 440 m2，平面布置如圖1所示。5#煤層頂?shù)装逄卣饕姳?。

圖1 21503工作面平面圖

表1 5#煤層頂?shù)装逄卣?/p>

21305工作面：該工作面位于南一上山采區(qū)南部，為3#煤層第4個工作面。順槽走向布置，沿3#煤直接頂板掘進。工作面東北部為21303工作面采空區(qū)；東部為實體煤層；北部與南一3#煤邊界回風(fēng)上山相鄰；西部與南一3#煤回風(fēng)大巷相鄰；南部與南二3#煤回風(fēng)上山相鄰；工作面下部為21503工作面采空區(qū)。21305運輸順槽設(shè)計長度567.4 m，設(shè)計采高為1.6 m，回風(fēng)順槽設(shè)計長度509.5 m，切眼長度為160 m，切眼斷面尺寸為6.8 m×2.4 m。工作面可采面積77 984 m2，可采儲量196 208 t。工作面埋深461.5～538.1 m，原設(shè)計21305工作面與21503工作面采用內(nèi)錯10 m布置，上下關(guān)系如圖2所示，沿21305工作面切眼及順槽的剖面圖如圖3所示。3#煤層結(jié)構(gòu)簡單，厚度1.7～2.1 m，一般1.9 m左右，屬較穩(wěn)定的中厚煤層，煤層頂?shù)装逍再|(zhì)見表2。

圖2 21305工作面與21503工作面平面圖

a-21305切眼剖面圖(A-A)；b-21305運輸順槽剖面圖(B-B)；c-21305回風(fēng)順槽剖面圖(C-C)圖3 工作面剖面圖

2 順槽位置、支護參數(shù)及方案

2.1 21503工作面頂板傾向“三帶”與巖層破斷角

21503工作面開采后的冒落帶高度為8 m，裂隙

表2 3#煤層頂?shù)装逄卣?/p>

帶可以進一步分為強裂隙帶與弱裂隙帶，其中強裂隙帶的發(fā)育高度為20 m，基本以3#煤層為界；弱裂隙帶發(fā)育高度為93 m；上部巖層處于彎曲下沉帶。兩側(cè)巖層破斷角平均60°，如圖4所示。根據(jù)目前礦井巷道掘進揭露的情況看，圖中右側(cè)巖層垮落狀況更加接近實際情況。

圖4 5#煤層開采的“三帶”高度與巖層破斷角

2.2 3#煤層及頂?shù)装迤茐臓顩r及開采可行性

最小層間距確定：21503工作面開采后，上覆3#煤層處于5#煤層開采的強裂隙帶頂界?？紤]最危險狀況，物理模擬按照3#煤層與5#煤層最小層間距17 m進行。

頂?shù)装逋暾裕簭墓ぷ髅骈_采的走向方向來看，在21503工作面初次來壓范圍內(nèi)(48 m)，上部對應(yīng)3#煤層21305工作面的末采階段，3#煤層及頂?shù)装辶严侗容^發(fā)育，裂隙密度為2 m/條；當21503工作面開采至周期來壓期間，上部3#煤層及其頂?shù)装寰鶆虺两担严栋l(fā)育程度較小，裂隙密度為5 m/條，煤層及頂?shù)装逋暾暂^好。

開采可行性：總體而言，下煤層開采后其對上煤層破壞影響程度較小，因此上部3#煤層可進行開掘巷道。

2.3 21305工作面順槽合理位置

工作面的理想位置：根據(jù)物理模擬，21503工作面采空區(qū)傾向巖層破斷角為60°，在3#煤層位置，形成自5#煤層邊界向采空區(qū)18 m的懸伸段。該段相鄰形成寬度為15 m的傾斜離層帶，巷道布置應(yīng)該避開這15 m寬度的傾斜離層帶，如圖5所示。距離采空區(qū)邊界內(nèi)33 m后，3#煤層及其頂?shù)装暹M入下沉盆地底部，主要為垂直沉降，煤層及頂?shù)装迤秸?，是布置工作面的理想位置?/p>

圖5 21503工作面采空區(qū)覆巖傾向垮落狀態(tài)及21305工作面順槽合理位置

工作面順槽位置：象山礦井設(shè)計21305工作面順槽內(nèi)錯10 m，位置處于懸伸段內(nèi)10～14.4 m處，如圖5所示。該位置處3#煤層及頂?shù)装灞容^完整，巷道穩(wěn)定性較好，適合布置順槽。但是，工作面頂?shù)装逶谠搮^(qū)域存在4.6°傾斜，煤層及頂?shù)装逋暾韵鄬^差，可能出現(xiàn)漏風(fēng)現(xiàn)象，開采過程中需要采取對應(yīng)措施。

合理性及可行性分析：理想的巷道位置應(yīng)該是位于采空區(qū)內(nèi)錯33 m的位置，該區(qū)域巷道和采煤工作面都處于平緩煤層區(qū)域，有利于安全開采。但是，也存在工作面變短為114 m，煤柱損失較大的缺點。綜合考慮，采取目前的巷道布置位置，加強工作面支護。綜上所述，目前礦井設(shè)計的巷道位置可行，但仍需要加強巷道支護，工作面煤壁兩端頭20 m的范圍存在4.6°傾斜，頂?shù)装逵幸欢x層，需要采取相應(yīng)措施。

2.4 21305工作面順槽合理支護方案

圍巖極限平衡圈分析：根據(jù)黃慶享教授的支護理論，巷道支護的對象主要是控制巷道周圍潛在的危險巖體[1-3]。巷道頂部的危險巖體是存在拉應(yīng)力的巖體，兩幫的危險巖體是達到剪切極限的巖體。兩幫和頂部潛在的危險巖體在圍巖內(nèi)部呈平衡拱狀，提出加固兩幫可縮小頂部平衡拱的高度，以有效控制軟巖巷道的變形。此外，提出合理的錨索長度及錨固端處于極限自穩(wěn)平衡圈之外即可。提出了“治頂先治幫，治幫先治底”和“整環(huán)控制”的支護控制原則，如圖6所示。

圖6 極限自穩(wěn)平衡圈

支護重點的確定：象山礦井21305工作面順槽處于21503工作面采空區(qū)之上，雖然圍巖完整性下降，但處于采動卸壓區(qū)，巷道底板相對位置，預(yù)計不存在明顯的底鼓現(xiàn)象，因此，支護重點是兩幫和頂板。

巷道支護參數(shù)計算：根據(jù)極限平衡圈理論[4-6]，巷道底板未支護，故取底板上的均布載荷q=0，內(nèi)聚力c=1.72 MPa；巖層容重γ=24 kN/m3，內(nèi)摩擦角φ=35°；巷道寬度W0=4.4 m。

巷道底板平衡圈深度hdmax

(1)

巷幫平衡圈深度L

(2)

巷道頂部極限平衡拱(圈)高度：原巖應(yīng)力P0=10.8 MPa，頂板巖石抗壓強度σc=65 MPa，抗拉強度σt=3.5 MPa，巷幫高度hw=2.6 m，巷寬W0=4.4 m，巷幫破壞深度L=1.63 m。

兩幫穩(wěn)定時的平衡拱高度

(3)

極限平衡拱(圈)高度

(4)

根據(jù)上述計算，頂板錨索長度按照極限平衡拱高度最大取6 m，兩幫錨桿長度取2.5 m，頂板錨桿長度取2.4 m。

運輸順槽支護方式：根據(jù)以上分析，并類比象山礦井5#煤21507工作面及濟寧三號煤礦43上03工作面回風(fēng)順槽支護方式，提出3#煤層21305工作面運輸順槽支護方式如圖7所示。①頂板支護—采用φ16 mm×4 140 mm托梁配合φ20 mm×2 400 mm螺紋鋼錨桿和φ21.8 mm×6 000 mm(φ21.8 mm×5 000 mm)錨索聯(lián)合支護，間隔式布置。A-A斷面，托梁上布置2根錨桿，位于順槽中心線左右各950 mm處，兩錨桿間距1 900 mm，托盤尺寸150 mm×150 mm；布置3根錨索，位于順槽中心線及左右各1 900 mm處，間距為1 900 mm，中心處采用φ21.8 mm×6 000 mm錨索，兩端頭處采用φ21.8 mm×5 000 mm錨索與頂板夾角70°，托盤尺寸240 mm×240 mm。錨固劑規(guī)格φ23 mm×700 mm，錨索使用2節(jié)K2370藥卷，錨桿使用1節(jié)K2370藥卷，錨桿預(yù)緊力40 kN，錨索預(yù)緊力80 kN。B-B斷面，托梁上布置3根錨桿，位于順槽中心線及左右各1 900 mm處，間距為1 900 mm，托盤尺寸為150 mm×150 mm；布置2根φ21.8 mm×5 000 mm錨索，位于順槽中心線左右各950 mm處，間距為1 900 mm，托盤尺寸為240 mm×240 mm；②幫部支護—幫部采用φ16 mm×2 000 mm鋼筋托梁配合3根錨桿進行支護，其中煤體部分φ22 mm×2 500 mm全長自攻固錨桿，巖石部分使用φ20 mm×2 400 mm螺紋鋼錨桿。錨桿間排距為800 mm×800 mm。采用鋼托板加200 mm×200 mm木托板支護；③頂部鋪設(shè)900 mm×4 600 mm菱形網(wǎng)，幫部鋪設(shè)900 mm×2 600 mm菱形網(wǎng)，網(wǎng)搭接100 mm，每200 mm一個連接點，使用雙股14#鐵線連接。

回風(fēng)順槽支護方案：①頂板支護—采用φ16 mm×3 200 mm托梁配合φ20 mm×2 400 mm螺紋鋼錨桿和φ21.8 mm×6 000 mm錨索聯(lián)合支護，托梁上布置5根錨桿間排距750 mm×800 mm，錨索按照2-1-2方式布置在托梁空檔，排距800 mm。2根時錨索布置于順槽中心線左右各1 000 mm處；1根時錨索布置于順槽中心線處。錨索使用2節(jié)K2370藥卷，錨桿使用1節(jié)K2370藥卷，錨桿預(yù)緊力40 kN，錨索預(yù)緊力80 kN；②幫部支護—幫部采用φ16 mm×2 000 mm鋼筋托梁配合3根錨桿進行支護，其中煤體部分φ22 mm×2 500 mm全長自攻固錨桿，巖石部分使用φ20 mm×2 400 mm螺紋鋼錨桿。錨桿間排距為800 mm×800 mm，采用鋼托板加200 mm×200 mm木托板支護；③頂部鋪設(shè)900 mm×3 800 mm菱形網(wǎng)，幫部鋪設(shè)900 mm×2 450 mm菱形網(wǎng)，網(wǎng)搭接100 mm，每200 mm一個連接點，使用雙股14#鐵線連接?；仫L(fēng)順槽支護方案示意圖如圖8所示。

a-頂板錨桿和錨索布置投影圖；b-支護方案圖8 回風(fēng)順槽支護方案

2.5 巷道掘進期間的問題及維護

21305回風(fēng)巷采用上述支護參數(shù)及支護方式進行掘進，在巷道掘進至210 m處時，頂板出現(xiàn)壓力增大、裂隙嚴重，同時底板伴有漏風(fēng)現(xiàn)象，必須加以調(diào)整[7-11]。根據(jù)現(xiàn)場情況，當即縮小了循環(huán)進度，確定了頂板加固方案，使用梯型棚退后掘進面迎頭15 m對該區(qū)域進行補強支護，順巷道支護長度30 m，同時對巷道進行全斷面噴漿，直至圍巖條件恢復(fù)正常后，方才恢復(fù)正常支護方式。

3 結(jié)論

(1)3#煤層處于5#煤層開采的強裂隙帶頂界，21503工作面正常開采階段煤層裂隙密度為5 m/條，煤層及頂?shù)装逋暾暂^好；末采階段煤層及頂?shù)装辶严侗容^發(fā)育，裂隙密度為2 m/條?？傮w而言，下部煤層開采后其對上煤層破壞影響程度較小，上部3#煤層可進行正常掘進。

(2)設(shè)計21305工作面順槽內(nèi)錯10 m，位于懸伸段內(nèi)10～14.4 m處。該位置處3#煤層及頂?shù)装灞容^完整，巷道穩(wěn)定性較好，適合布置順槽。但是，工作面頂?shù)装逶谠搮^(qū)域存在4.6°傾斜，煤層及頂?shù)装逋暾韵鄬^差，可能出現(xiàn)漏風(fēng)現(xiàn)象，開采過程中需要采取相應(yīng)措施。

(3)21305工作面順槽采用該支護方式后，巷道掘進期間頂板無安全事故，但在后期掘進期間需加強頂板礦壓觀測，當圍巖條件發(fā)生變化時，需及時調(diào)整支護參數(shù)以確保工作面頂板支護的安全可靠。