近距離煤層采空區(qū)下回采巷道圍巖控制技術(shù)研究與應(yīng)用

張步元

（西山煤電馬蘭礦，山西 古交 030200）

0 引 言

近距離煤層下行式開采中，在上位工作面回采完畢后，會使得回采空間圍巖應(yīng)力重新分布，上位殘留區(qū)段煤柱會形成應(yīng)力集中現(xiàn)象，造成下位工作面的頂板結(jié)構(gòu)和應(yīng)力環(huán)境發(fā)生變化，從而致使近距離采空區(qū)下進(jìn)行回采工作時回采巷道礦壓顯現(xiàn)更為劇烈和復(fù)雜。因此解決近距離煤層采空區(qū)下回采巷道的支護(hù)問題對礦井的安全生產(chǎn)具有重要意義[1,2]。本文所討論的馬蘭礦12509工作面皮帶巷的圍巖控制問題，屬于典型的近距離煤層采空區(qū)下回采巷道的圍巖控制問題，論文從分析2#煤圍巖應(yīng)力環(huán)境與賦存條件的測試出發(fā)，根據(jù)測試結(jié)果與工作面地質(zhì)條件提出根據(jù)巷道頂板與采空區(qū)間厚度的變化采用三種支護(hù)方案對近距離煤層采空區(qū)下12509工作面皮帶巷進(jìn)行圍巖控制，并且支護(hù)方案的效果通過礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)得到了驗證。

1 工程概況

馬蘭礦12509工作面走向長度1318m，傾斜長度為216m，所采2#煤層的均厚為2.92m，直接頂為0.70m的粉砂質(zhì)泥巖，基本頂為5.67m的S5砂巖，直接底為1m的粉砂巖和0.3m的3#煤，老底為7.85m的粗砂巖，經(jīng)過現(xiàn)場探測發(fā)現(xiàn)工作面頂板2#煤與02#煤之間的距離在2.5～9.0m之間，巷道沿煤層底板掘進(jìn)，施工時上覆02#煤已回采完畢，具體12509工作面布置如圖1所示。

圖112509 工作面布置示意圖

2 2#煤圍巖應(yīng)力環(huán)境與賦存條件分析

2.1 圍巖強(qiáng)度原位測試

根據(jù)鉆孔原位觸探測試結(jié)果能夠看出S5砂巖的強(qiáng)度為54.1～80.1MPa，頂板粉砂質(zhì)泥巖的強(qiáng)度集中在21.8～33.91MPa；2#煤層完整性較好，平均強(qiáng)度為21.3MPa，為中硬煤層；頂板砂質(zhì)泥巖平均強(qiáng)度為28.1～31.5MPa，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，巖層局部破碎。

2.2 地應(yīng)力場原位測試

通過井下水壓致裂地應(yīng)力的測量方法對巷道圍巖地應(yīng)力場進(jìn)行原位測試。根據(jù)測試結(jié)果能夠得出2#煤巷道圍巖的最小水平主應(yīng)力的范圍為3.15～4.95MPa，最大水平主應(yīng)力范圍為5.68～6.41MPa，垂直主應(yīng)力范圍為 4.12～4.19MPa，故能夠判斷出巷道處于低值應(yīng)力場區(qū)。應(yīng)力場的類型以σH型、σHV型為主，最大主應(yīng)力的方向集中在N49.6°～66.7°W之間。

2.3 巷道圍巖可錨性評價

在近距離煤層上覆02#煤層回采動壓的影響下，造成02#煤底板一定深度的圍巖結(jié)構(gòu)破碎，且出現(xiàn)局部02#煤采空區(qū)積水下滲，從而降低了2#煤層巷道頂板圍巖錨桿的錨固效果及巖層的承載能力。根據(jù)錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范[3]，現(xiàn)場對2#煤巷道頂板巖層及幫部煤體進(jìn)行可錨性進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表1。

表1 近距離煤層采空區(qū)下2#煤圍巖可錨性試驗結(jié)果

根據(jù)可錨性測試結(jié)果能夠得出以下結(jié)論：①錨桿（索）的拉拔力受到錨固長度的影響顯著。在巷道圍巖較完整時，頂板使用直徑為22mm螺紋鋼錨桿進(jìn)行加長錨固，此時錨桿的最大拉拔力大于126kN，巷幫采用直徑為18mm的圓鋼錨桿進(jìn)行錨固時，最大拉拔力大于61kN，能夠滿足規(guī)范對錨桿錨固力的要求[4]；②當(dāng)錨索錨固劑使用K2335+Z2360樹脂藥卷進(jìn)行錨固時，巷道頂板錨索的最大拉拔力均大于180kN，在巷道圍巖條件發(fā)生變化時，會使錨索錨固效果下降，此時應(yīng)對錨固參數(shù)進(jìn)行及時調(diào)整，保證錨索的最大拉拔力滿足設(shè)計要求。

3 巷道支護(hù)設(shè)計與效果分析

3.1 巷道支護(hù)方案

根據(jù)2#煤的生產(chǎn)地質(zhì)條件、地質(zhì)力學(xué)測試結(jié)果及巷道圍巖的可錨性試驗結(jié)果能夠得出12509工作面皮帶巷可選用錨桿、錨索對巷道進(jìn)行支護(hù)，在運(yùn)用錨桿（索）支護(hù)方式控制巷道圍巖變形時應(yīng)充分考慮以下原則：①巷道開挖后，應(yīng)采用主動的支護(hù)的方式控制圍巖變形。當(dāng)巷道圍巖較破碎時及時采取主動支護(hù)的方式來防止巷道開挖后圍巖進(jìn)一步破碎變形，減小巷道的空頂、空幫時間；②在對錨桿施加預(yù)緊力時，應(yīng)充分考慮預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散原則，合理的施加預(yù)緊力，只有施加了合理的錨桿預(yù)緊力才能充分發(fā)揮錨桿的支護(hù)作用，提高圍巖的承載能力[5,6]；③通過對巷道錨桿的拉拔力試驗來判斷圍巖的可錨性，根據(jù)試驗結(jié)果對錨固參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

由于2#煤層距上覆02#煤層采空區(qū)的距離較短且變化幅度大，并根據(jù)上述錨桿支護(hù)的原則，通過運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對采用不同支護(hù)形式時巷道圍巖的應(yīng)力及塑性區(qū)域的進(jìn)行分析，根據(jù)模擬結(jié)果并結(jié)合巷道頂板與上覆采空區(qū)厚度的變化，確定對12509工作面采取三種支護(hù)手段，分別如下：

1）在02#煤與2#煤間距大于5.3m時，選用Φ20mm×2000mm螺紋鋼錨桿進(jìn)行支護(hù)，頂板錨桿間排距900mm×1000mm；錨索長度為5.3m，錨索間排距1.8m×3.0m，頂板錨固劑采用K2335+Z2360樹脂錨固劑；兩幫錨桿間排距為1000mm×1000mm，無錨索，設(shè)計錨桿預(yù)緊力不低于40kN，錨索張拉力不低于120kN。

2）當(dāng)02#煤與2#煤層間距小于5.3 m時，錨索長度降為4.3m，錨桿參數(shù)不變。

3）當(dāng)02#煤與2#煤層間距小于4.3m時，巷道仍采用Φ20mm×2000mm螺紋鋼錨桿進(jìn)行支護(hù)。在頂板破碎時，現(xiàn)有錨桿支護(hù)會無法控制頂板巖層穩(wěn)定，故此時需進(jìn)行套棚支護(hù)，棚距1.2m，同時將錨桿間排距調(diào)整為1100mm×1200mm。

3.2 礦壓監(jiān)測與支護(hù)效果分析

通過對12509工作面皮帶巷掘進(jìn)與回采期間巷道表面位移、頂板離層儀及錨桿、錨索受力進(jìn)行監(jiān)測，用來判斷巷道圍巖的穩(wěn)定性。下面分別對3項監(jiān)測數(shù)據(jù)分別進(jìn)行分析：

1）巷道表面位移。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：在巷道掘進(jìn)期間左幫移近量為22mm，右?guī)鸵平繛?mm，頂板下沉量為16mm，底板鼓起量為8mm，頂?shù)滓平繛橄锏栏叨鹊?.69%，兩幫移近量為巷道寬度的0.6%，根據(jù)巷道表面位移數(shù)據(jù)得出支護(hù)后巷道整體變形量較小，在與掘進(jìn)迎頭距離大于100m后巷道基本無變形，處于穩(wěn)定狀態(tài)；12509工作面回采期間，頂?shù)装逡平繛?62mm，其中底鼓量為142mm，兩幫移近量為118mm，其中煤柱幫位移量為82mm，12509工作面皮帶巷掘進(jìn)與回采期間巷道表面位移監(jiān)測曲線如圖2所示。從監(jiān)測曲線中能夠得出在12509工作面回采期間，為保證回采安全，12509工作面皮帶巷應(yīng)對超前工作面35m范圍內(nèi)的圍巖進(jìn)行加固處理。

圖2 12509工作面皮帶巷表面位移監(jiān)測曲線

2）頂板離層狀態(tài)。根據(jù)12509工作面巷道頂板離層儀數(shù)據(jù)顯示，深部基點(diǎn)離層為0，淺部基點(diǎn)離層為0.3mm。故巷道頂板無離層現(xiàn)象出現(xiàn)。

圖3 錨桿、錨索受力狀態(tài)監(jiān)測

3）錨桿、錨索受力監(jiān)測。通過對巷道頂板錨（索）的受力狀態(tài)進(jìn)行持續(xù)60d的監(jiān)測，將所得數(shù)據(jù)繪制成曲線，如圖3所示。從曲線圖中能夠看出錨桿受力值基本集中在20～30kN，錨桿施加的初始預(yù)緊力均大于40KN；錨索受力值基本集中在76～84kN，故根據(jù)錨桿、錨索監(jiān)測期間的受力狀態(tài)可知，大部分錨桿、錨索的受力值均小于設(shè)定值，錨桿（索）處于穩(wěn)定狀態(tài)，故由此可知設(shè)計支護(hù)參數(shù)較為合理。

4 結(jié) 論

1）在對12509工作面回采巷道圍巖進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)及可錨性能判斷的基礎(chǔ)上，對采用錨桿（索）支護(hù)技術(shù)控制近距離煤層采空區(qū)下巷道圍巖變形的方案進(jìn)行論證。由巷道圍巖應(yīng)力與賦存條件測試得知2#煤層回采巷道處于低值應(yīng)力場區(qū)域，巷道頂板巖層結(jié)構(gòu)受到上覆煤層的采動影響較大，圍巖變化程度較大。

2）根據(jù)2#煤層頂板與02#煤層采空區(qū)之間厚度的變化情況采用多種支護(hù)方式進(jìn)行結(jié)合，來控制近距離煤層采空區(qū)下巷道的圍巖穩(wěn)定。

3）根據(jù)對12509工作面皮帶巷掘巷與回采期間的礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)得出現(xiàn)有支護(hù)設(shè)計參數(shù)能夠保證巷道圍巖穩(wěn)定，在12509工作面回采期間，為保證回采安全，需對超前工作面35m范圍的圍巖進(jìn)行加固處理。