小峪煤矿采空区下巷道合理内错距及围岩控制技术研究

2023-09-09康保福

山东煤炭科技 2023年8期

康保福

（晋能控股煤业集团朔煤小峪煤业有限公司，山西朔州 038300）

1 工程概况

1.1 地质概况

小峪煤矿8208 工作面位于402 盘区，主采22#煤层平均倾角为3°、走向127°、倾向北东。煤层平均厚度10.75 m，结构较稳定，含三层夹矸，结构为煤4.2 m、泥岩0.25 m、煤2 m、页岩1 m、煤3.3 m。顶底板情况见表1。

表1 煤层顶底板结构

22#煤层上覆19#煤层，层间距3～12 m。19#煤层平均厚度为5.7 m，其顶板为碳质泥岩，底板为高岭岩。

1.2 巷道概况

目前正在掘进的2208 巷为8208 回采工作面进风兼运煤和运料巷道，设计长度1872 m，矩形断面，掘宽5.5 m、高3.4 m，掘进断面积18.7 m2。巷道沿22#煤层底板掘进，北部为实煤区，南部为实煤区，西部为402 盘区皮带巷，东部为矿界，上覆为19#层4808 工作面采空区。为保证采空区下2208 巷的正常掘进，需对巷道的合理位置选择及支护方案进行研究。

2 采空区下巷道合理位置

2.1 模型建立及方案

下位煤层巷道的稳定性主要与煤层间距及内错距离相关，为确定出巷道合理的位置，采用FLAC3D数值模拟软件，根据19#煤层、22#煤层及2208 巷的实际赋存条件建立模型，模型尺寸为：长×宽×高=300 m×200 m×50 m。为模拟上覆岩层的压力，在模型顶部施加5.7 MPa 均布载荷，通过位移边界条件对模型四周和底部进行约束。为使模拟结果准确度更高，采用fill 命令模拟垮落矸石充填采空区。模拟时，模型中煤岩体的受力屈服破坏统一遵循Mohr-Coulomb 破坏准则，各煤岩体的物理力学参数按表2 进行赋参。

表2 煤岩体物理力学参数

模拟中，煤层间距分别取3 m、5 m、8 m、10 m 及12 m，巷道与采空区煤柱的内错距离分别为5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m 及35 m，将两种因素组合，共计35 组模拟方案。

2.2 模拟结果分析

图1 为不同煤层间距及内错距离下，上位19#煤层开采后2208 巷的围岩变形规律。

图1 不同煤层间距及内错距离下巷道变形规律

由图1 可知：

1）巷道围岩的变形量随着煤层间距的增大而逐渐减小，其中巷道顶底板移近量的变化幅度最明显；煤层间距为3 m 及5 m 时，围岩变形量较大，且随着内错距离增加减小幅度明显；当煤层间距大于8 m 时，上位煤层开采对于下位巷道的扰动作用明显降低；不同煤层间距下，巷道围岩变形量均随着内错距离的增加而逐渐减小，并在30 m 内错距离时趋于稳定。

2）随着煤层间距的增大，内错距离对巷道围岩稳定性的影响逐渐减弱，即煤层间距的增大使下位巷道受采动的影响降低。以煤层间距为5 m 时为例，内错距离为5 m 时，巷道顶底板移进量为390 mm，而内错距为20 m 及30 m 时的顶底板移进量分别为294 mm 及236 mm，较5 m 内错距分别降低了22.05%、39.49%；5 m 煤层间距下，内错距离为5 m 时，巷道两帮移进量为920 mm，而内错距为20 m 及30 m 时的两帮移进量分别为392 mm 及261 mm，较5 m 内错距分别降低了57.39%、71.63%。

由模拟结果可以看出，当巷道内错距离小于30 m 时，适当提高内错距离可以显著降低围岩的变形量，但当内错距离大于30 m 时，提高巷道内错距离对围岩稳定性的影响不再明显，反而会影响后续工作面的布置。因此，结合现场实际条件及类似工程经验，确定出2208 巷与上位19#煤层采空区煤柱的合理内错距离为30 m。

3 采空区下巷道支护方案

由于巷道布置于近距离煤层采空区下，围岩不仅受掘进时的扰动，还受上位煤层及本煤层的采动影响，应力集中程度较高，导致围岩较破碎、承载力差，需及时支护并适当增大支护强度[1-4]。

1）巷道顶板支护

顶锚杆采用直径20 mm、长度2200 mm 的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，屈服强度大于400 MPa，每排布置6 根，间排距均为1000 mm，靠近巷道两帮的锚杆距巷帮250 mm 处施工，与水平线夹角为75°，其余锚杆均垂直顶板施工。锚杆托盘采用高强度蝶形托盘，长、宽均为110 mm，厚10 mm。另外，为防止碎矸掉落，每排布置一根长5200 mm、宽220 mm 的W 型钢带，并被直径为80 mm 的金属网进行护表。

顶锚索采用直径17.8 mm、长度5300 mm 的7股钢绞线制成，每排布置4 根，间距为1300 mm，排距为2000 mm，均垂直顶板施工。巷道两肩窝处布置角锚索，其直径为17.8 mm、长度为4300 mm，与水平线的夹角为45°，排距为2000 mm。每排锚索吊长度为4400 mm、宽度为330 mm 的JW型高强度钢带，并背金属网进行护表；角锚索吊短节的11#矿用工字钢进行护表，长度为300 mm。锚索托盘均为220 mm 长、12 mm 厚的异形托盘。

2）两帮支护

帮锚杆采用直径18 mm、长度1800 mm 的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，锚杆间距为900 mm，排距为1000 mm。最上排帮锚杆在距巷道顶板300 mm 处施工，并向上倾斜15°；最下排帮锚杆在距巷道底板400 mm 处施工，并向下倾斜15°。锚杆托盘采用宽为110 mm、厚10 mm 的平托盘，中间的2 排锚杆与直径17.8 mm、长度4300 mm 的锚索交替布置，帮锚索采用宽250 mm、厚16 mm 的钢托盘。每排帮锚杆均配套长450 mm、宽220 mm、厚3 mm 的W 型钢护板及80 mm×80 mm 的菱形金属网进行护表支护。

3）锚固长度及预紧力

顶锚杆采用两支树脂药卷进行锚固，预紧扭矩不低于250 N·m，保证锚固力不小于125 kN；帮锚杆采用一支树脂药卷进行锚固，预紧扭矩不低于150 N·m，保证锚固力不小于85 kN；顶锚索采用三支树脂药卷进行锚固，锚索预应力不低于210 kN，保证其锚固力不小于320 kN。

巷道支护如图2。