小煤窑采空区下煤巷掘进支护技术研究

2022-05-16杨茂青

山东煤炭科技 2022年4期

杨茂青

（山西潞安环能上庄煤业有限公司，山西长治 046200）

随着国家逐渐淘汰煤炭落后产能，小煤窑已全部被兼并或关闭退出[1-2]。但小煤窑采用落后房柱式开采方法留下了大量采空区，由于采空区的位置和地质资料等情况不全，对兼并后的煤炭企业安全开采造成严重困难[3-4]。尤其在小煤窑采空区下进行巷道掘进时，极易发生冒顶等事故。因此，对于小煤窑采空区下巷道掘进，需要分析巷道围岩应力，设计合理的支护方式和参数，提高巷道顶板的稳定性。

1 概况

上庄煤矿为重组后企业，矿井主采3#、9#、15#煤层，设计生产能力0.9 Mt/a。目前矿井正进行运输巷、轨道巷、回风巷新建，均沿着3#煤层底板布置。3 煤层厚1.26～3.40 m，平均2.16 m，平均倾角5°，直接顶板为砂质泥岩、粉砂岩，底板为细砂岩、砂质泥岩、泥岩。由于上庄煤矿为重组后煤矿，上方3上煤层曾被小煤窑开采，留下了大量采空区，对一采区巷道掘进后支护造成严重影响。

一采区运输巷原设计采用锚杆+锚网+钢筋梯子梁联合支护，支护参数见表1。

表1 一采区运输巷原支护参数

巷道采用原支护方式支护后，顶板变形量大，若不提高支护强度，可能会发生冒顶等事故，严重影响巷道掘进安全。

2 采空区应力分布

小煤窑工作面回采后形成采空区，采空区顶板岩层垮落压实采空区后形成稳定状态[5-6]。一采区巷道沿3#煤层顶板掘进时，受上方采空区影响，支承压力分布呈现一定规律，即采空区下方为应力降低区，近采空区一侧煤柱下方为应力升高区，应力达到峰值后逐渐降低至原岩应力，如图1。

由图1 可知，受采空区影响，下煤层出现应力升高区，应力峰值会达到原岩应力3 倍左右。受高集中应力影响，下煤层巷道掘进后，尤其是在采空区与煤柱交界区域矿压显现明显，顶板变形量大，若不及时进行合理支护，很容易发生冒顶事故。

图1 下煤层应力分布规律图

3 补强支护数值模拟

3.1 模拟方案

结合上庄煤矿地质条件和周边矿井的支护形式，提出采用单体液压支柱+工字钢补强支护，提高支护强度。采用FLAC3D分别模拟补强支护棚间距1 m、2 m、3 m 时，一采区运输巷应力分布和围岩变形情况，得到最优支护间距。建立150 m×50 m×80 m 的力学模型，材料参数见表2。

表2 一采区运输巷材料参数

3.2 模拟结果分析

3.2.1 围岩变形分析

采用FLAC3D模拟原支护方式和补强支护3 种棚间距时一采区运输巷围岩变形量，模拟结果如图2。

图2 模拟位移变形图

由图2 可知，巷道采用原支护方式时围岩变形量大，最大顶板下沉量和左右两帮变形量分别为220 mm、55 mm、38 mm。补强支护后巷道围岩变形量有了明显改善，尤其是顶板下沉量。当补强支护棚间距1 m、2 m、3 m 时，最大顶板下沉量分别为104 mm、52 mm、45 mm，较原支护分别减小了52%、76%、80%。补强支护后顶板最大下沉量均在安全范围内，但棚间距2 m、3 m 时顶板下沉量减少量相对间距为1 m 时更大，支护强度更高，更能保证顶板的稳定性。

3.2.2 塑性区分布分析

采用FLAC3D模拟原支护方式和补强支护3 种棚间距时一采区运输巷塑性区分布，模拟结果如图3。

由图3 可知，一采区运输巷采用原支护方式时顶板塑性区深度大，顶板出现弯曲下沉。补强支护后塑性区长度减小，顶板未出现弯曲下沉，支护效果良好，补强支护能保证采空区下巷道顶板的稳定。

图3 模拟塑性区分布图

3.2.3 应力分布分析

采用FLAC3D模拟原支护方式和补强支护3 种棚间距时一采区运输巷垂直应力分布，模拟结果如图4。

图4 模拟垂直应力分布图

由图4 可知，一采区运输巷采用原支护方式时应力在顶板集中，最大垂直应力为10 MPa，巷道顶板出现塑性破坏。当采用补强支护后，顶板的集中应力逐渐向两帮转移，顶板未出现塑性变形。因此，补强支护后顶板未出现塑性变形破坏，顶板的稳定性得到明显提高。

通过FLAC3D模拟一采区运输巷位移、塑性区分布和位移情况，得到补强支护使巷道顶板稳定性明显提升，棚间距2 m、3 m 时顶板变形量、塑性区深度、垂直应力均比棚间距1 m 小得多，支护效果更优。棚间距2 m、3 m 支护效果基本一致，棚间距3 m 耗费的人力、财力更多。结合矿井的经济效益，补强支护棚间距采用2 m。