極近距離煤層采空區(qū)下煤層巷道合理支護方案選擇

劉偉杰

(晉能集團忻州有限公司,山西 忻州 034000)

極近距離煤層群由于受上層煤開采后的采動影響,上層煤開采后作用于圍巖和煤柱的支撐壓力會傳遞到下邊的煤層中,導(dǎo)致下煤層產(chǎn)生應(yīng)力增高區(qū)[1-2]。由于上下煤層之間距離較小,上煤層開采引起的圍巖應(yīng)力重新分布會對底板產(chǎn)生大的沖擊,導(dǎo)致下煤層巷道頂板結(jié)構(gòu)不易形成自穩(wěn)結(jié)構(gòu),使巷道圍巖強度降低,下煤層巷道頂板的整體性和穩(wěn)定性發(fā)生破壞,從而增加了巷道支護的困難,影響巷道圍巖的穩(wěn)定性[3-6]。唐山溝煤礦現(xiàn)主采的12#煤和未采的13#煤屬極近距離煤層群,采用極近距離煤層群下行開采方式。目前,12#煤開采已進入后期階段,礦井很快將全面開采13#煤,在開采下層13#煤時,會面臨上覆煤層頂板破碎巷道圍巖支護困難的技術(shù)問題,如果不及時采取有效的防治技術(shù),很有可能給礦上帶來嚴重災(zāi)害。

1 工程地質(zhì)條件

該煤礦煤層賦存條件較好,煤質(zhì)較硬,礦井現(xiàn)主采的12#煤和未采的13#煤最小相距0.37 m,最大9.7 m,平均4.85 m,距離上位已采的11-2#煤層最小0.56 m,最大15.35 m,平均10.43 m,屬極近距離煤層群,采用極近距離煤層群下行開采方式。13#

煤膠帶運輸大巷位于井田西部未開采的13#煤層中,將用于滿足煤礦井田西部采區(qū)的通風(fēng)、運煤等生產(chǎn)系統(tǒng)服務(wù),巷道上方為即將開采完畢的12#煤層,下方為實體巖層,井田內(nèi)斷裂構(gòu)造不發(fā)育,在井田中部揭露一條落差5 m～7 m正斷層,走向NW,傾向SW,傾角75°,在井田內(nèi)延伸343 m,斷層對煤礦生產(chǎn)影響較小[7-8]。13#煤膠帶運輸大巷位置圖見圖1。

圖1 13號煤膠帶運輸大巷位置圖Fig.1 Position of the main transport roadway with belt conveyor of No.13 coal seam

2 提出支護方案

結(jié)合地質(zhì)條件以及巷道所處位置的實際情況設(shè)計以下兩種不同支護方案,方案一是采用錨帶網(wǎng)+錨索支護,方案二是采用錨帶網(wǎng)+注漿錨索+桁架組合支護。

2.1 方案一

圖2是方案一巷道掘進斷面支護圖。

圖2 方案一巷道掘進斷面支護圖Fig.2 Cross-sectional supporting diagram in roadway tunneling of Plan 1

1)頂板錨桿支護：從頂板起始100 mm處開始依次布置6根錨桿(800 mm×800 mm，允許偏差均為±100 mm)，錨桿長度為2 200 mm，直徑為20 mm，錨桿托盤采用長寬高分別為200 mm×200 mm×10 mm的正方形托盤，使用直徑為6.5 mm、長寬為70 mm×70 mm的正方形金屬網(wǎng)配合錨桿聯(lián)合支護。每根錨桿采用的樹脂錨固劑為2卷Msck2360型樹脂藥卷(藥卷的原始累加長度不少于1.0 m)。頂板左右邊上兩根錨桿在安裝的時候要傾斜15°左右安裝，錨桿的預(yù)緊力和錨固力分別不能低于50 kN和200 kN。

2)頂板錨索支護：巷道頂板采用2根預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索支護，錨索采用雙托盤支護，大托盤的長寬高分別為400 mm×400 mm×12 mm ，小托盤的長寬高分別為200 mm×200 mm×10 mm，鋼絞線直徑為17.8 mm，長度為5 300 mm，每孔采用4卷Msck2360型樹脂藥卷錨固，每兩排錨桿之間打兩根注漿錨索，錨索間排距分別為2 000 mm和800 mm，錨索的預(yù)緊力和錨固力分別不低于100 kN和250 kN。

3)兩幫支護：幫錨桿為4根直徑20 mm，長度2 m的高強錨桿配合鋼筋梯子梁聯(lián)合支護，錨桿托盤采用長寬高分別為200 mm×200 mm×10 mm的正方形托盤。每根錨桿采用的樹脂錨固劑為2卷Msck3535型樹脂藥卷(藥卷原始累加長度不少于1.0 m)，梯子梁長度2.6 m，選用16號圓鋼，錨桿間排距800 mm×800 mm，巷幫上下邊上兩根錨桿在安裝的時候要傾斜15°左右安裝。

4)頂、幫各網(wǎng)之間互相搭接，搭接長度不少于100 mm，并用14號鐵絲綁扎牢固，綁扎間距不大于200 mm。

2.2 方案二

圖3是方案二巷道掘進斷面支護圖。

圖3 方案二巷道掘進斷面支護圖Fig.3 Cross-sectional Supporting diagram in roadway tunneling of plan 2

1)頂板錨桿支護：從頂板起始100 mm處開始依次布置6根錨桿(800 mm×800 mm，允許偏差均為±100 mm)，錨桿長度為2 400 mm，直徑為20 mm，錨桿托盤采用長寬高分別為200 mm×200 mm×10 mm的正方形托盤，使用直徑為6.5 mm、長寬為70 mm×70 mm的正方形金屬網(wǎng)和長度為2.6 m的鋼筋梯子梁配合錨桿聯(lián)合支護。每根錨桿采用的樹脂錨固劑為2卷Msck2360型樹脂藥卷(藥卷的原始累加長度不少于1.0 m)。頂板左右邊上兩根錨桿在安裝的時候要傾斜15°左右安裝，錨桿的預(yù)緊力和錨固力分別不能低于50 kN和200 kN。

2)頂板錨索支護：巷道頂板采用2根預(yù)應(yīng)力鋼絞線注漿錨索配合桁架聯(lián)合支護，錨索采用雙托盤支護，大托盤的長寬高分別為400 mm×400 mm×12 mm，小托盤的長寬高分別為200 mm×200 mm×10 mm，鋼絞線直徑為17.8 mm，長度為6 300 mm。每孔采用4卷Msck2360型樹脂藥卷錨固，每兩排錨桿之間打兩根注漿錨索，錨索間排距分別為2 000 mm和800 mm，桁架2根錨索規(guī)格D17.8 mm×7 300 mm，分別和頂板成正負45°左右，每隔一排錨桿打一組桁架系統(tǒng)。錨索的預(yù)緊力和錨固力分別不低于100 kN和250 kN。

3)兩幫支護：幫錨桿為4根直徑20 mm，長度2 m的高強錨桿配合鋼筋梯子梁聯(lián)合支護，錨桿托盤采用長寬高分別為200 mm×200 mm×10 mm的正方形托盤。每根錨桿采用的樹脂錨固劑為2卷Msck3535型樹脂藥卷(藥卷原始累加長度不少于1.0 m)，梯子梁長度2.6 m，選用16號圓鋼，錨桿間排距800 mm×800 mm，巷幫上下邊上兩根錨桿在安裝的時候要傾斜15°左右安裝。

4)頂、幫各網(wǎng)之間互相搭接，搭接長度不少于100 mm，并用14號鐵絲綁扎牢固，綁扎間距不大于200 mm。

5)頂板注漿：先用樹脂藥卷進行端部錨固，施加一定的預(yù)緊力，然后利用中空注漿錨索進行注漿，最后進行張拉鋼絞線，施加預(yù)緊力達到要求。注漿壓力、滲透范圍和注漿量應(yīng)根據(jù)注漿實際情況現(xiàn)場確定。

6)噴漿封閉：噴射混凝土封閉圍巖，噴層厚度100 mm～120 mm。

2.3 支護方案數(shù)值模擬比較

通過以上兩方案的數(shù)值分析比較得到以下結(jié)論:

1)方案一的水平應(yīng)力、切向應(yīng)力集中區(qū)域比方案二大,垂直應(yīng)力集中區(qū)域較小,總體比較兩方案的應(yīng)力集中程度相當(dāng),方案二巷道周圍應(yīng)力較小,約為2 MPa,方案一巷道周圍應(yīng)力較大,約為4 MPa。

2)方案一巷道頂、底板和兩幫變形顯著,方案二巷道變形量相對較小。方案一、方案二的巷道變形量如表1所示。

表1 巷道變形量Table 1 Roadway deformation

綜合考慮巷道應(yīng)力分布特征和巷道變形量,最終選擇方案二支護參數(shù),即采用錨帶網(wǎng)+注漿錨索+桁架組合支護。方案二支護設(shè)計俯視圖見圖4。

圖4 方案二巷道掘進支護斷面俯視圖Fig.4 Cross-sectional diagram of supporting in roadway tunneling

3 礦壓觀測結(jié)果與分析

通過在巷道中設(shè)置的多個礦壓觀測測站,對掘進期間的巷道圍巖變形情況進行了觀測,觀測結(jié)果見圖5和圖6。

圖5 巷道表面位移曲線Fig.5 Surface displacement curves of roadways

圖6 巷道表面變形速度曲線Fig.6 Surface deformation speed curve of roadways

由圖5、圖6可知，巷道在掘進10 d后，巷道表面變形急劇，頂板最大下沉量達到了75 mm,兩幫最大移近量達到112 mm，頂板下沉速度也比較大，其中最大值達到了13 mm/d，兩幫移近速度最大值達到了25 mm/d；巷道掘進后10 d～35 d，巷道表面位移逐漸緩慢的增加，頂板和兩幫的變形速度也開始減緩；巷道掘進35 d后，巷道頂板和兩幫變形速度基本穩(wěn)定，但是巷道表面位移仍然還有很小的變形，這是巷道煤體的蠕變特性所導(dǎo)致的，巷道掘進穩(wěn)定后兩幫最大移近量為124 mm，頂板最大下沉量為85 mm。

4 結(jié)論

1)極近距離煤層上、下煤層開采過程中相互擾動、相互影響，造成上覆煤層采空區(qū)貫通頂板破碎情況下巷道圍巖支護困難，嚴重影響了巷道圍巖的穩(wěn)定性。

2)結(jié)合地質(zhì)條件以及巷道所處位置的實際情況提出了兩套支護方案，通過數(shù)值模擬比較和理論分析確定了最終支護方案，即采用錨帶網(wǎng)+注漿錨索+桁架組合支護，最大程度的發(fā)揮主動作用。

3)13號煤膠帶運輸大巷采用錨帶網(wǎng)+注漿錨索+桁架組合的支護技術(shù)，有效抑制了巷道變形，確保了礦井的安全高效生產(chǎn)，以后可在類似近距離煤層開采采空區(qū)下煤層巷道中推廣應(yīng)用。