象山矿井21305工作面上行开采技术研究

象山矿井21305工作面上行开采技术研究

陈 ,阳 ,金朋飞 ,王 ,凯

韩城矿业有限公司象山矿井  陕西，韩城  715400

摘要：象山矿井南二上山采区共布置2个3#煤工作面和2个5#煤工作面；为解决5#煤采面接续问题优先开采了下方5#煤层（21503工作面），现需对上覆3#煤层21305工作面采用上行开采，但3#煤层与下部5#煤层间距17-26m，工作面位于5#煤层采空区顶板强裂隙带内，煤层及顶底板破碎，开采具有一定的风险。为了确定21305工作面顺槽的合理位置和顺槽支护方案，保障工作面安全开采，特开展此项研究。

关键词：上行开采；三带；破断角；平衡圈；强、弱裂隙带

一、工作面概况

象山矿井南一采区5#煤层21503工作面已采，煤层厚度为0.70~2.90m，大部分厚度为2.0~2.95m，平均厚度2.65m，煤层倾角2~6°，平均3°。工作面南北走向条带布置，由南向北回采，两巷长度839.3m，工作面切眼宽度180m，工作面埋深470.6~572.7m，地质构造简单，走向和倾向上地层起伏变化不大[1]。其上部的3#煤层21305工作面未开采，煤层厚度1.7~2.1m，平均为1.91m，两煤层间距17~26m，一般24m。煤层特征及层间距如表1所示。

表研究区煤层赋存特征

二、21305工作面顺槽合理位置与支护研究

（一）3#煤层及顶底板破坏状况及开采的可行性分析

1.5#煤层工作面顶板倾向“三带”与岩层破断角

根据21503工作面回采期间矿压监测数据分析，21503工作面开采后的三带高度：冒落带高度为8m，裂隙带可以进一步分为强裂隙带与弱裂隙带[2]，其中强裂隙带的发育高度为20m，基本以3#煤层为界；弱裂隙带发育高度为93m；上部岩层处于弯曲下沉带。两侧岩层破断角平均60°，如图1所示。

图1 5#煤层开采的“三带”高度与岩层破断角

2.3#煤层及顶底板破坏状况及开采的可行性分析

21503工作面开采后，上覆3#煤层处于5#煤层开采的强裂隙带顶界，考虑最危险状况，物理模拟按照3#煤层与5#煤层最小层间距17m进行。

从工作面开采的走向方向来看，在21503工作面初次来压范围内（48m），上部对应3#煤层21305工作面的末采阶段，3#煤层及顶底板裂隙比较发育，裂隙密度为2m/条；当21503工作面开采至周期来压期间，上部3#煤层及其顶底板均匀沉降，裂隙发育程度较小，裂隙密度为5m/条，煤层及顶底板完整性较好。

总体而言，下煤层开采后其对上煤层破坏影响程度较小，且21305工作面切眼位于下部21503工作面的采空区压实区内，因此上部3#煤层可进行正常开采。

3.21305工作面顺槽合理位置

根据物理模拟，21503工作面采空区倾向岩层破断角为60°，在3#煤层位置，形成自5#煤层边界向采空区18m的悬伸段，该段相邻形成宽度为15m的倾斜离层带，巷道布置应该避开这15m宽度的倾斜离层带，如图2所示。距离采空区边界内33m后，3#煤层及其顶底板进入下沉盆地底部，主要为垂直沉降，煤层及顶底板平整，是布置工作面的理想位置。

图2 21503工作面采空区覆岩倾向垮落状态及21305工作面顺槽合理位置

综上所述，目前矿井设计的21305工作面顺槽内错10m，位置处于悬伸段内10m-14.4m处，该位置3#煤层及顶底板比较完整，巷道稳定性较好，适合布置顺槽；理想的巷道位置是位于采空区内错33m的位置，该区域巷道和采煤工作面都处于平缓煤层区域，有利于安全开采。但是，也存在工作面变短为114m，煤柱损失较大的缺点。综合考虑，建议采取目前的巷道布置位置，加强工作面支护。

(二)21305工作面顺槽合理支护方式

1.围岩极限平衡圈分析

象山矿井21305工作面顺槽处于21503工作面采空区之上，虽然围岩完整性下降，但处于采动卸压区，巷道底板相对位置，不存在明显底鼓现象，因此，支护的重点是两帮和顶板[3].

2.巷道支护参数计算

根据极限平衡圈理论，巷道底板未支护，故取底板上的均布载荷q=0，内聚力=1.72MPa；岩层容重，内摩擦角；巷道宽度。

（1）巷道底板平衡圈深度为：

（2）巷帮平衡圈深度L：

（3）巷道顶部极限平衡拱（圈）高度

原岩应力，顶板岩石抗压强度，抗拉强度，巷帮高度=2.6m，巷宽，巷帮破坏深度。

两帮稳定时的平衡拱高度：

极限平衡拱（圈）高度：

根据上述计算，顶板锚索长度按照极限平衡拱高度最大取6m，两帮锚杆长度取2.5m，顶板锚杆长度取2.4m。

3.合理支护方式

根据以上分析，提出3#煤层21305工作面顺槽支护方案如下：

（1）运输顺槽支护方案（图3）

1）顶板支护：采用φ16×4140mm托梁配合φ20×2400mm螺纹钢锚杆和φ21.8×6000mm（

φ21.8×5000mm）锚索联合支护，间隔式布置。

A-A断面：托梁上布置2根锚杆，位于顺槽中心线左右各950mm处，两锚杆间距1900mm，托盘尺寸150mm×150mm；布置3根锚索，位于顺槽中心线及左右各1900mm处，间距为1900mm，中心处采用φ21.8×6000mm锚索，两端头处采用φ21.8×5000mm锚索与顶板夹角70°，托盘尺寸240mm×240mm。锚固剂规格φ23×700㎜，锚索使用2节K2370药卷，锚杆使用1节K2370药卷，锚杆预紧力40kN，锚索预紧力80kN。

B-B断面：托梁上布置3根锚杆，位于顺槽中心线及左右各1900mm处，间距为1900mm，托盘尺寸为150mm×150mm；布置2根φ21.8×5000mm锚索，位于顺槽中心线左右各950mm处，间距为1900mm，托盘尺寸为240mm×240mm。

2）帮部支护：帮部采用φ16×2000mm钢筋托梁配合3根锚杆进行支护，其中煤体部分φ22×2500mm全长自攻固锚杆，岩石部分使用φ20*2400mm螺纹钢锚杆。锚杆间排距为800×800mm。采用钢托板加200×200mm木托板支护。

3）顶部铺设900×4600mm菱形网，帮部铺设900×2600mm菱形网，网搭接100mm，每200mm一个连接点，使用双股14#铁线连接。

（2）回风顺槽支护方案（图4）

1）顶板支护：采用φ16×3200mm托梁配合φ20×2400mm螺纹钢锚杆和φ21.8×6000mm锚索联合支护，托梁上布置5根锚杆间排距750×800mm，锚索按照2-1-2方式布置在托梁空档，排距800mm。2根时锚索布置于顺槽中心线左右各1000mm处；1根时锚索布置于顺槽中心线处。锚索使用2节K2370药卷，锚杆使用1节K2370药卷，锚杆预紧力40kN，锚索预紧力80kN。

2）帮部支护：帮部采用φ16×2000mm钢筋托梁配合3根锚杆进行支护，其中煤体部分φ22×2500mm全长自攻固锚杆，岩石部分使用φ20×2400mm螺纹钢锚杆。锚杆间排距为800×800mm，采用钢托板加200×200mm木托板支护。

3）顶部铺设900×3800mm菱形网，帮部铺设900×2450mm菱形网，网搭接100mm，每200mm一个连接点，使用双股14#铁线连接。

三、小结

1.3#煤层处于5#煤层开采的强裂隙带顶界，21503工作面正常开采阶段煤层裂隙密度为5m/条，煤层及顶底板完整性较好；末采阶段煤层及顶底板裂隙比较发育，裂隙密度为2m/条。总体而言，下部煤层开采后其对上煤层破坏影响程度较小，上部3#煤层可进行正常开采。

2.21305工作面顺槽的理想位置位于采空区内错33m外，该区域煤层及顶底板平整，有利于安全开采，但存在工作面宽度小，煤柱损失大的缺点。

综合考虑，目前设计顺槽位置可行，处于煤柱顶板悬伸段减压区，围岩较完整，工作面开采宽度较大，经济效益较高。

参考文献：

[1]叶丽娜. 吉林东部前寒武纪热水沉积成矿作用研究[D].吉林大学,2021.DOI:10.27162/d.cnki.gjlin.2021.007557.

[2]徐杨.上行开采工作面顺槽支护方案及实践[J].陕西煤炭,2020,39(01):136-141.

[3]郭宇杰,郑文翔,刘廷方.近断层巷道底鼓机理数值模拟分析[J].煤炭技术,2021,40(11):82-85.DOI:10.13301/j.cnki.ct.2021.11.019.

作者简介：

陈阳（1993.5-）男，汉族，陕西韩城人，本科学历，助理工程师，研究方向：采矿。