極近距離煤層采空區下切巷支護技術研究

吳兵兵

(霍州煤電集團有限責任公司 辛置煤礦，山西 霍州 031400)

煤礦開采強度的不斷增加，使近距離煤層開采出現問題。當煤層間距較近時，下部煤層開采前頂板的完整程度已受上部煤層開采損傷影響，使下部煤層開采與單一煤層開采相比出現了許多新的礦壓現象［1，2］.本文結合三交河煤礦極近距離煤層開采的具體條件，運用數值模擬的研究方法，分析了上煤層開采對本煤層及其頂板和底板的影響特征，提出采空區下切巷具體的支護方法和礦壓控制措施，以保證工作面正常安全開采。

1 工程概況

三交河煤礦2#煤位于山西組的上部，近水平分布，分上下兩層，上層2－1煤層，平均厚度2.69 m，下層2－2煤層，平均厚度2.06 m，上下兩層間距0.10 ～12.00 m，平均5.60 m 左右，屬全井田穩定的分叉全區可采煤層。由于上下兩層煤間距變化不定，部分采區前期采用了分層開采的方法，僅開采了上層2－1煤層，下層2－2煤層沒有開采。2－2－601 工作面是2－2煤層首采工作面，該工作面上部2－1煤層已被采空，工作面地面標高1 182 ～1 318 m，井下標高988 ～1 022 m，上覆基巖厚度160 ～330 m.2－2－601 切巷上部為采空區和上部工作面煤柱，切巷處于采空區下時切巷上部完整頂板厚度為2.5 ～4.6 m.

2－2－601 工作面切巷井下布置示意圖見圖1.2－2－601 工作面采用同向內錯法，布置在2－1－311、2－1－309、2－1－307 工作面采空區下方，3 個2－1回采工作面回采結束期為7 ～9 年，采空區巖層運動已穩定。2－1煤層311 工作面與309 工作面煤柱寬度為15 m;2－1煤層309 工作面與307 工作面煤柱寬度同樣為15 m，切巷的總長度為250 m.

圖1 切巷井下布置示意圖

在2－2－601 工作面切巷開口及附近進行鉆孔窺視，直接頂為泥巖和砂質泥巖，厚度平均2.5 m，灰黑色，局部相變為粉砂巖，夾煤線，灰黑色，含植物化石。2－1煤層厚度2.13 m，厚度穩定，已采空。2－1煤層上部為泥巖、砂質泥巖，厚度2 ～3 m.基本頂為K8 中砂巖5 ～10 m，灰白色，中粗粒石英砂巖，中厚層狀，致密堅硬，裂隙發育，穩定。直接底為泥巖、砂質泥巖，厚度2 ～4 m，灰黑色，局部相變為砂質泥巖，致密較硬。老底為中砂巖，厚度8 m，深灰色，中厚層狀，石英為主，水平層理，致密堅硬。

2 數值模擬分析

2.1 數值模型的建立

本次模擬采用三維數值模擬計算軟件FLAC3D，根據該礦具體地質條件，經過簡化建立一個長方體數值模型，模型長300 m，寬度60 m，高度24.2 m.從下往上分別為中砂巖、砂質泥巖、2－2煤層、泥巖、2－1煤層、泥巖、中砂巖，沿水平分層，厚度分別為4 m、3 m、2 m、2.5 m、2.2 m、2.5 m、8 m.切巷長度250 m，斷面為矩形，長5.7 m，高2.9 m.模型前后和左右邊界定為單約束邊界;底邊界定為全約束邊界;上邊界定為應力邊界，應力大小為5 MPa.

模擬方案:對2－1－311、2－1－309、2－1－307 工作面依次進行回采，計算穩定后對切巷進行開挖。

2.2 數值模擬結果及分析

通過數值模擬計算，可以得到2－1－311、2－1－309、2－1－307 三個工作面回采結束后圍巖應力重新分布情況及工作面及切巷圍巖的破壞情況。工作面回采后沿傾向方向的切面上圍巖的應力分布圖見圖2. 沿切巷軸線方向垂直切面塑性區分布圖見圖3.

圖2 工作面回采結束后圍巖應力分布圖

圖3 沿切巷軸線垂直切面上塑性區分布圖

由圖2 和圖3 可以看出:

1)工作面回采結束后，原巖應力重新分布，煤柱兩側及兩側斜上方應力向煤柱內部轉移，煤柱出現明顯的應力集中現象，煤柱兩邊1.5 m 范圍內已經發生塑性破壞，煤柱應力集中區域寬度為10 m 左右，煤柱上最大應力值為13.6 MPa，將近原巖應力的2.8 倍。

2)煤柱上方和下方也出現應力集中現象并往煤柱兩側呈輻射狀展開，隨著距離的增大應力集中系數逐漸減小，煤柱兩側出現應力降低區，如圖2 所示，煤柱右側應力降低區在水平方向上距離為22.5 m，應力降低區右側應力基本上等同于原巖應力。

3)上層煤及切巷開挖結束后，上層煤底板和切巷頂板都有一定深度的破壞，而且層間距又較薄，下層煤切巷頂板的破壞程度及完整性明顯差于單層煤開采巷道頂板，只選用錨桿支護已經不能完全保障該切巷圍巖的穩定性，應聯合架棚支護。

綜上所述，極近距離上層煤的開采對下層煤工作面切巷穩定性影響很大，需要進行錨桿、架棚聯合支護。

3 支護措施及現場監測結果分析

按照一次支護、高預應力和預應力擴散、“三高一低”(即高強度、高剛度、高可靠性與低支護密度)、相互匹配、可操作性、經濟合理等原則提出采空區下方切巷錨桿支護措施［3，4］. 根據數值模擬結果，結合該礦生產條件及經驗，在錨桿支護的基礎上再進行單體液壓柱配合π 梁支護。具體的支護方案見圖4.

頂板錨桿每排6 根，排距1 m，間距1 m，沿巷道頂板中線對稱布置，桿體為22#左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度2.4 m，鋼材屈服強度為335 MPa，桿尾螺紋為M24，螺紋長度150 mm，配高強度螺母;采用樹脂加長錨固，采用兩支低黏度錨固劑，一支規格為CK2340，另一支規格為Z2388;鉆孔直徑為30 mm，錨固長度為1 200 mm.托板采用拱型高強度托盤，規格為150 mm×150 mm ×8 mm，拱高不低于34 mm，配調心球墊和減摩墊圈;錨桿沿頂板法線方向布置。托板下面配W 鋼護板，規格為厚度4 mm，寬280 mm，長度450 mm;采用10#鐵絲編織的菱形金屬網護頂，網孔規格為50 mm×50 mm，網片規格為5 900 mm×1 100 mm;錨桿預緊扭矩不低于300 N·m.

圖4 支護方案圖

巷幫錨桿排距1 m，每排每幫3 根錨桿，間距1 m.最上面1 根錨桿距離頂板350 mm;桿體、托板和W 鋼護板均與頂板錨桿相同;樹脂端部錨固，采用1 支低黏度錨固劑，規格為Z2388. 鉆孔直徑為30 mm;錨桿垂直巷幫;采用10#鐵絲編織的菱形金屬網護幫，網孔規格為50 mm×50 mm，網片規格為1 800 mm×1 100 mm;錨桿預緊扭矩不低于300 N·m.

頂板π 型梁長度為5 400 mm，120 mm×120 mm.選用型號為DW31.5－300/110 的單體支柱，單體支柱“三·三”布置，間距3 300 mm 和1 800 mm(內沿間距)，排距為2 000 mm(如果頂桿破碎嚴重則排距為1 000 mm).

4 現場應用分析

三交河煤礦2－2－601 工作面切巷現已貫通完畢，施工過程嚴格按照設計和施工規程，保證成形質量，不得超挖或欠挖，巷道掘進尺寸與設計尺寸相差不得超過200 mm，采用前探梁進行臨時支護，錨桿應緊跟掘進頭及時支護，空頂距不得超過1.4 m. 當頂板比較破碎時，應適當縮小空頂范圍，保證鉆孔垂直巖面。利用錨桿機攪拌樹脂藥卷，樹脂藥卷攪拌是錨桿安裝中的關鍵工序，攪拌時間按廠家要求嚴格控制，同時要求攪拌過程連續進行，中途不得間斷。停止攪拌后等待1 min 左右，擰緊力矩應達到300 N·m，錨桿排距誤差不得超過設計值50 mm.幫錨桿安裝應緊跟迎頭，最大空幫距離不得超過2.4 m. 當煤幫斜茬發育，容易造成片幫時，幫錨桿必須緊跟迎頭及時打設，不得出現空幫現象，以防片幫造成錨桿外露太長，錨桿報廢，其它技術要求同頂板錨桿。金屬網鋪設網與網之間的壓接寬度100 mm，要求每格必聯。在施工過程中定期進行井下錨桿錨固力拉拔試驗，每次數量不少于3 根，拉拔試驗時錨固力均不低于桿體的屈服載荷。

掘進過程切巷圍巖完整性較好，對采空區下方巷道表面位移進行監測，監測結果見圖5.由圖5 可知，切巷變形很小。該支護方法保證了圍巖的完整性和穩定性。

圖5 巷道表面位移圖

5 結 論

1)上層煤和切巷開挖結束后，兩層煤中間巖層上部和下部都有一定程度地破壞，采空區下切巷處與應力降低區或者原巖應力區內。

2)通過數值模擬計算，結合理論分析及工程經驗，對于層間距為2.5 ～4.6 m 的近距離煤層開采，下層煤巷道只靠錨桿支護控制頂板及圍巖穩定性，風險太大，采用聯合架棚支護，能更好地保證圍巖穩定性。

3)井下實踐表明，采用高預應力強力錨桿錨索結合π 型梁支護，可以滿足近距離煤層開采下層煤切巷支護要求，巷道變形很小，保證了圍巖的完整性和穩定性。

［1］ 朱 濤，張百勝，馮國瑞，等.極近距離煤層下層煤采場頂板結構與控制［J］.煤炭學報，2010，35(2):190－193.

［2］ 白慶升，屠世浩，王方田，等.淺埋近距離房式煤柱下采動應力演化及致災機制［J］.巖石力學與工程學報，2012，31(增刊2):3772－3778.

［3］ 康紅普，王金華.煤巷錨桿支護理論與成套技術［M］.北京:煤炭工業出版社，2007:24－25.

［4］ 康紅普.煤巷錨桿支護成套技術研究與實踐［J］.巖石力學工程學報，2005，24(21):3959－3964.