不穩定松軟煤層托頂煤回采巷道圍巖控制研究

陳金宇 陳 剛 李衛紅

(1.煤炭科學研究總院開采設計研究分院，北京市朝陽區，100013； 2.天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京市朝陽區，100013； 3.河南能源化工集團有限公司義煤公司生產技術處，河南省義馬市，472300； 4.河南能源化工集團有限公司躍進煤礦，河南省義馬市，472300)

新安煤礦14240工作面上巷二1煤層頂底板起伏較大，煤層賦存不穩定，若沿頂板掘進，回采巷道對工作面回采工作將產生不利影響：一是降低煤炭資源的回收；二是工作面支架要經歷穿過底板的過程；三是頂板三角煤難以留設，這將增加工作面回采工作量及回采難度。因此，隨著錨桿支護技術水平的提高，提出采用回采巷道沿底板布置來解決上述問題。新安煤礦二1煤層強度較低，煤體松軟，根據現場測試可知煤層抗壓強度為7.64 MPa，且節理層理較為發育，頂煤不易控制，同時由于底板起伏，煤層厚度不穩定，所留頂煤厚度一直變化，增加了頂煤的控制難度，屬于松軟不穩定煤層條件下托頂煤巷道支護。本文通過數值模擬和理論分析相結合的方法來確定支護方式，確保巷道的安全使用及后期工作面的安全回采，為類似巷道條件提供參考。

1 工程地質條件

14240上巷設計長度662.4 m，服務年限3年，位于14采區下山西翼下部，上鄰14220工作面(已回采)，留設3.0 m寬煤柱，下鄰14260工作面(未圈定)；東鄰14采區下山保護煤柱；西鄰14與16采區保護煤柱。工作面地面標高平均+533 m，工作面標高平均-33.5 m，平均埋深586 m。

根據上鄰14220工作面實際揭露情況和勘探孔資料分析，預計該工作面煤層頂底板起伏較大，煤層賦存不穩定，煤厚0～9.5 m，平均3.79 m。二1煤層現場原位測試平均強度為7.64 MPa，節理層理較為發育，屬于松軟煤層。二1煤頂底板情況見表1。

表1 煤層頂底板情況表

在14240上巷進行錨桿錨固作業，錨桿材質為左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，直徑20 mm、鋼號335號，長度2.4 m，每根錨桿采用2支Z2350型樹脂錨固劑錨固；測試錨索為6300-17.8 mm低松弛鋼絞線錨索，錨索采用3支Z2350型樹脂錨固劑錨固。現場拉拔測試結果表明錨索的錨固力均在300 kN以上；錨桿的錨固力在均達到110 kN以上，能夠滿足錨網支護錨固力的要求。

2 數值模型分析

根據新安礦14240上巷的生產地質條件，建立有限元數值模型，模型尺寸為65 m×44 m×6 m(長×高×寬)，模型中煤層、直接頂、直接底進行細化處理。邊界條件：模型頂面施加壓力使其等同于上覆巖層的重量，底面是固定鉸支座，垂直方向約束，x=0 m、x=6 m、y=0 m和y=6 m面施加水平方向位移約束。巖層、煤層均采用摩爾—庫侖模型，數值模擬中各巖層﹑煤層的力學參數見表2。

2.1 頂煤厚度對圍巖穩定性的影響

分別模擬頂煤厚度為1 m、2 m、3 m、4 m、5 m和6 m，巷道開挖矩形尺寸為4.7 m×3.2 m(寬×高)。設立模擬位移監測點得出巷道圍巖位移量與頂煤厚度關系如圖1所示，圍巖塑性區分布受頂煤厚度影響如圖2所示。

表2 巖體力學參數表

圖1 頂煤厚度對圍巖變形的影響

由圖1和圖2可知，頂煤厚度的增大對頂板下沉量影響比較顯著，在頂煤厚度小于3 m時，隨著頂煤厚度的增大頂板下沉量呈線性增長，且增長速度較快，頂板下沉量從43 mm增加到69 mm，增加26 mm；在頂煤厚度大于3 m時，隨著頂煤厚度的增大頂板下沉量也呈線性增長，但此時增長速度較慢。頂煤厚度從3 m增長到6 m，頂板下沉量從69 mm增加到82 mm，僅增加13 mm。底鼓量和兩幫移近量受頂煤厚度變化影響較小，頂煤厚度從1 m增加到6 m，底鼓量和兩幫移近量從32 mm、39 mm增加到39 mm、52 mm，分別增加22%和33%。

圖2 不同頂煤厚度圍巖塑性區分布

由圖2可知，圍巖塑性區隨頂煤厚度增加而不斷擴展，巷道兩幫和底板塑性區范圍以及塑性分布受頂煤厚度的變化影響較小，頂煤厚度從1 m增加到6 m，兩幫和底板塑性區寬度從2.5 m、3 m增加到3 m、3.5 m，分別增加20%和17%，而頂煤厚度的加大對頂板影響較大，頂煤厚度從1 m增加到6 m，頂板塑性區深度從3.2 m增加到5.2 m，增加62.5%。頂板的拉破壞面積也隨著頂煤厚度的變化而變化，兩幫和底板中部表現為拉破壞，幫角位置為剪破壞，且隨著頂煤厚度的增加，兩幫和底板塑性分布規律基本不變。

2.2 托頂煤支護參數分析

根據14240上巷的斷面尺寸，初步設計錨桿幫頂錨桿長度為2400 mm，兩幫間排距900 mm，頂板間距850 mm，排距900 mm。由于頂煤厚度不穩定，且煤層結構松軟，強度較低，因此在14240上巷中采用小孔徑預應力錨索進行加強支護。錨索采用直徑為17.8 mm的鋼絞線，根據鉆孔柱狀圖及頂煤厚度，絞線長度確定為6300 mm。

現有3種布置方案，方案1：兩幫錨桿間排距900 mm；頂板錨桿排距相同，間距850 mm，每2排錨桿打3根錨索，即“303布置”。方案2：兩幫錨桿間排距900 mm；頂板錨桿排距相同，間距850 mm，每1排錨桿打2根錨索，即“222布置”。方案3：兩幫錨桿間排距900 mm；頂板錨桿排距相同，間距850 mm，每2排錨桿打5根錨索，即“323布置”。

不同方案下14240上巷掘進期間巷道圍巖塑性區分布情況如圖3所示。不同方案下14240上巷變形量見表3。

圖3 不同方案下14240上巷圍巖變形情況

方案名稱頂板下沉量/mm底鼓量/mm左幫移近量/mm右幫移近量/mm方案1191145252252方案2189144251252方案3176143251251

由圖3和表3可知，方案1和方案2中14240上巷的變形相差不大，方案3比方案1的頂板下沉量少15 mm，且3種方案中塑性區的分布都沒有出現明顯的拉伸破壞。由于新安煤礦回采巷道初次采用托頂煤支護掘進，同時由于頂煤不穩定，初期施工要求安全系數較高，待實施100 m左右后，根據圍巖變形情況進行設計變更，最終確定每2排錨桿之間打5根錨索，即“323布置”(間距1700 mm，排距900 mm)。

3 14240上巷錨桿支護方案確定

3.1 頂板支護

錨桿采用鋼號為335號、直徑20 mm的左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度2.4 m，間距900 mm，排距850 mm，每排布置6根錨桿，錨桿預緊扭矩≥300 N·m，禁止超過500 N·m；采用一支K2350和一支M2350樹脂錨固劑加長錨固，錨固長度1300 mm；采用與錨桿強度相匹配的高強螺母，配合高強托板調心球墊和尼龍墊圈；托板采用拱型高強度托板，高度不低于36 mm，托板尺寸不小于150 mm×150 mm×10 mm，承載能力不低于164 kN；采用W型鋼護板護表，寬280 mm，長450 mm，厚度不低于5 mm，勒高不低于25 mm；網片采用4 mm×1000 mm×1800 mm冷拔絲軋花網，網孔規格50 mm×50 mm，網片搭接寬度不少于2格，鉛絲必須旋擰不得少于3圈，鉛絲頭指向煤(巖)體表面。保證能與兩幫金屬網連接好，不得漏頂。

錨索采用直徑為17.8 mm、1×7股高強度低松弛預應力鋼絞線，長度6300 mm(當托頂煤厚度超過4000 mm時，錨索長度變更為8300 mm)，采用一支MSK2350和兩支MSZ2350樹脂錨固劑加長錨固，錨固長度1750 mm，每兩排錨桿打設5根錨索，采用“323布置”，間距1700 mm，排距為900 mm，全部垂直頂板布置；托板采用300 mm×300 mm×14 mm高強度可調心托板及配套鎖具，高度不低于56 mm，強度不低于350 kN，錨索初始預緊力≥200 kN。

3.2 巷幫支護

兩幫采用的錨桿支護材料及其構件和頂板相同，間排距900 mm，每幫每排布置4根錨桿；錨桿預緊扭矩≥300 N·m，禁止超過500 N·m；錨桿錨固力為不低于106 kN。

4 礦壓監測及分析

巷道表面位移監測曲線如圖4所示。由圖4可以看出，巷道開挖后，表面位移監測曲線快速上升，持續時間10 d左右，頂底板平均移近速度為3.7 mm/d，兩幫平均移近速度為4.9 mm/d，這是由于巷道開挖后，圍巖的應力狀態迅速由三向變為二向，深部巖體中積聚的大量彈性能量突然釋放，承載能力下降，在上覆巖層壓力作用下，圍巖表面裂隙不斷擴展，并且不斷向圍巖深部延伸，形成一定范圍的破碎區，巖體破碎后，體積膨脹，巷道表面位移快速增長。隨著遠離掘進工作面，圍巖變形速度不斷減小，變形趨于穩定，掘進影響期大約為45 d，這是由于巷道開挖過程中發生的物理、力學效應具有非線性和不可逆性，會產生各種形式的能量耗散。另外，支護構件系統能及時吸收部分能量。巷道達到穩定狀態后，巷道位移速率在0.15 mm/d以下，兩幫總位移量83 mm，頂底板位移量為56 mm，圍巖控制效果較好。

圖4 表面位移監測曲線

5 結論

(1)通過數值模擬與理論分析不穩定煤層托頂煤厚度對巷道圍巖穩定性的影響，在頂煤厚度小于3 m時，頂板下沉量隨著頂煤厚度的增大呈線性增加，增長速率較快；在頂煤厚度大于3 m時，隨著頂煤厚度的增大頂板下沉量增長速率較慢；頂煤厚度的增大對底鼓量和兩幫移近量影響較小。

(2)圍巖塑性區隨著頂煤厚度的加大而不斷擴展，巷道兩幫和底板塑性區范圍以及塑性分布受頂煤厚度變化影響較小，而頂煤厚度的加大對頂板影響較大，頂板的拉破壞面積也隨之頂煤厚度的變化而變化，兩幫和底板中部表現為拉破壞，幫角位置為剪破壞，且隨著頂煤厚度的增加，兩幫和底板塑性分布規律基本不變。

(3)通過數值模擬確定高預應力高強錨桿錨索組合支護參數后，進行現場實施。現場實施效果顯著，為新安礦不穩定松軟煤層回采巷道托頂煤支護提供科學依據。