近距離煤層開采下軟弱煤層巷道圍巖控制技術(shù)研究

李 斌

（山西平舒煤業(yè)有限公司，山西 壽陽 045400）

0 引 言

進(jìn)行近距離煤層群的下層煤層開采時，受上方煤層內(nèi)回采工作面殘余支承壓力，及本煤層巷道開挖的影響，在本工作面回采期間出現(xiàn)巷道變形速度過快，變形量很大等問題，尤其是巷道圍巖為強(qiáng)度很低的煤層時，巷道掘出后圍巖迅速的失穩(wěn)變形，垮落嚴(yán)重，對巷道的掘進(jìn)及支護(hù)非常不利，嚴(yán)重影響正常的采掘和生產(chǎn)。本文以某礦近距離煤層開采影響下21503工作面回風(fēng)順槽圍巖控制技術(shù)為研究背景，結(jié)合其具體的地質(zhì)條件，應(yīng)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件及理論分析確定具體的圍巖控制參數(shù)，通過現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)來驗(yàn)證該種方法的支護(hù)效果。

1 工程概況

試驗(yàn)巷道為某礦的21503工作面，工作面井下位于5#煤層南一采區(qū)運(yùn)輸大巷西側(cè)，回風(fēng)順槽沿煤層頂板掘進(jìn)，回風(fēng)順槽東側(cè)相距40m為21502工作面的采空區(qū)，該工作面于2016年10月回采完畢；21503工作面回風(fēng)順槽上方向南水平距離30m為21303工作面的采空區(qū)，工作面間垂直間距為20m，該工作面于2015年7月回采完畢。21503工作面回風(fēng)順槽與采區(qū)排水巷水平距離約為20m，工作面以西全部為實(shí)體煤，巷道及工作面布置詳情如圖1所示。該工作面煤質(zhì)為半亮型煤，煤層厚度2.6m～3.1m，平均約為2.7m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含有厚度0.05～0.13m泥巖夾矸一層，煤層厚度變化較大，煤層強(qiáng)度系數(shù)為0.3～0.8之間，煤質(zhì)較軟。

圖1 21503工作面運(yùn)輸順槽位置詳情

2 圍巖穩(wěn)定性分析及支護(hù)分析

2.1 巷道圍巖穩(wěn)定性分析

巷道圍巖的穩(wěn)定性是一個極其復(fù)雜的問題，主要影響因素為地應(yīng)力的大小、巷道圍巖的性質(zhì)和采動的影響[1]。下面通過這三個方面對于21503回風(fēng)順槽圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行分析：

1）地應(yīng)力。地應(yīng)力即為我們通常所說的原始應(yīng)力，包括自重應(yīng)力和地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力，豎直方向上的力主要由巖石自重產(chǎn)生，水平方向的由斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造引起。地應(yīng)力的大小對于巷道圍巖的穩(wěn)定性具有決定性的影響，隨著埋深的增加，地應(yīng)力會隨著增大，同時也會增加煤與瓦斯突出、沖擊地壓等事故的幾率和危險程度。21503工作面平均埋深為660m，垂直方向的地應(yīng)力約為18.0MPa，巷道圍巖處于較大的應(yīng)力狀態(tài)。并且回風(fēng)順槽位于背斜兩翼，且有斷層發(fā)育，因此巷道圍巖體內(nèi)水平應(yīng)力也比較明顯，應(yīng)力環(huán)境較復(fù)雜。

2）圍巖強(qiáng)度及完整性。巷道圍巖的力學(xué)性質(zhì)對于巷道圍巖的穩(wěn)定性具有很大的影響。當(dāng)巷道開挖導(dǎo)致周圍煤巖體內(nèi)應(yīng)力大于其強(qiáng)度極限時，煤巖體破壞就會在圍巖內(nèi)形成塑性區(qū)，并且在淺部形成一定厚度的松散破碎巖塊，巷道周圍煤巖體內(nèi)破碎區(qū)和塑性區(qū)較大時，導(dǎo)致巷道圍巖的整體性降低，掘進(jìn)和支護(hù)過程中均會面臨很大的困難。

21503回風(fēng)順槽兩幫為5#煤，煤層強(qiáng)度系數(shù)為0.3～0.8之間，煤體硬度較小，松軟破碎，主要由塊粉煤以及少量的碎粒煤和糜棱煤組成，頂板及底板偽頂均為泥巖，存在大量的離層與裂隙，巷道圍巖整體強(qiáng)度偏低，表明十分松散、破碎，并且由于斷層、褶曲等構(gòu)造的影響地應(yīng)力較高，并且采用炮掘的施工工藝掘進(jìn)，導(dǎo)致巷道圍巖塑性區(qū)和破碎區(qū)發(fā)育范圍將會較大，圍巖強(qiáng)度很低。

3）開采影響。根據(jù)21503回風(fēng)順槽井下位置關(guān)系可知，其巷道圍巖同時經(jīng)受了21303和21305工作面掘進(jìn)及回采的影響，并且受到南一采區(qū)排水巷掘進(jìn)時的影響，21503回風(fēng)順槽圍巖體處于較高的地應(yīng)力下，通過理論計(jì)算得該位置垂直應(yīng)力為20.13MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.46，巷道受采動影響明顯。

2.2 自攻錨桿適用性分析

根據(jù)21503回風(fēng)順槽具體的地質(zhì)條件，考慮選用自攻錨桿進(jìn)行巷道兩幫的支護(hù)，與常用的螺紋鋼樹脂錨桿相比，自攻錨桿有其突出的特點(diǎn)，在合適的情況下選用，從施工速度、支護(hù)效果、經(jīng)濟(jì)效益等方面均有一定程度的提高[2～3]。

圖2 自攻錨桿受力示意圖

自攻錨桿的安裝與螺紋鋼錨桿存在較大的差異，進(jìn)行自攻錨桿的安裝時，首先需在安裝位置鉆一個直徑略小于錨桿直徑的鉆孔，將自攻錨桿旋進(jìn)鉆孔預(yù)緊即可，鉆孔內(nèi)不需要填充錨固劑，鉆孔不需要沖孔或吹孔（這一點(diǎn)對軟弱破碎煤層巷道尤為重要），因此自攻錨桿安裝速度比普通錨桿快，而且是全長錨固。全長自攻錨桿在煤巖體內(nèi)受力如圖2所示，相關(guān)的現(xiàn)場試驗(yàn)表明，巷道圍巖為松軟破碎的煤體時，全長自攻錨桿的性能優(yōu)于全長錨固螺紋鋼錨桿。根據(jù)以上分析，21503工作面回風(fēng)巷受到臨近工作面和巷道的采掘影響，以及斷層、褶曲等地質(zhì)構(gòu)造的影響，巷道周圍煤巖體應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，加之巷道頂?shù)装寮皟蓭偷膸r石強(qiáng)度和完整性較低，因此21503回風(fēng)順槽支護(hù)應(yīng)同時考慮加強(qiáng)頂板和兩幫的支護(hù)。根據(jù)以往的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，在松軟破碎煤體中采用全長自攻錨桿能夠提供連續(xù)摩擦阻力，錨固性能得到充分的發(fā)揮，因此在回風(fēng)順槽考慮采用全長自攻錨桿進(jìn)行巷道兩幫的加固。

3 配合自攻錨桿的高強(qiáng)錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)

為了確定合理的支護(hù)方案，根據(jù)21503工作面具體的地質(zhì)條件，應(yīng)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析錨網(wǎng)索支護(hù)的效果，模擬的方案如下;

1）普通錨網(wǎng)索支護(hù)；頂板采用直徑22mm，長度2.4m的螺紋鋼錨桿，采用樹脂全長錨固，布置鋼筋網(wǎng)，并且使用鋼筋梯，排距0.95m，間距1.0m。錨索選用支架21.6mm，長度為6.3m的礦用錨索加強(qiáng)支護(hù)，排距1.5m，間距2.0m；兩幫的錨桿采用直徑為22mm，長度為2.5m的全長自攻錨桿，錨桿排距0.8m，間距1.4m，巷幫頂角、底角錨桿采用與頂板型號相同的螺紋鋼錨桿，頂板和兩幫均安裝金屬網(wǎng)，并安裝鋼筋梯子梁補(bǔ)強(qiáng)。

2）加強(qiáng)支護(hù)；將頂板錨桿排距減小為0.8m，錨索的間距減小為1.6m，其余不變。

3）加強(qiáng)右?guī)椭ёo(hù)；在以上兩個方案的基礎(chǔ)上，巷道右?guī)捅Ｗo(hù)煤柱側(cè)的錨桿長度增加到3.5m，直徑不變。

圖3 三種支護(hù)方案下巷道圍巖位移模擬結(jié)果

三種支護(hù)方案運(yùn)輸順槽圍巖位移情況如圖3所示。巷道煤柱側(cè)圍巖變形范圍約為6.0m，實(shí)體煤側(cè)變形范圍為4.0m，頂板變形范圍為2.0m，底板變形范圍為3.0m，巷道圍巖主要變形區(qū)域均較小，能夠滿足圍巖控制的要求。方案二與方案一相比巷道頂板及兩幫的位移均明顯減小，方案三與方案二相比頂?shù)装逦灰齐m然變化不大，但是煤柱側(cè)圍巖變形量明顯減小，因此選擇方案三用于21503回風(fēng)順槽的支護(hù)。

4 巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)以上的分析，21503回風(fēng)順槽斷面寬為4.4m，高為2.8m，最終設(shè)計(jì)的支護(hù)方案如下：

1）頂板采用直徑22mm，長度2.4m的螺紋鋼錨桿，采用樹脂全長錨固，布置鋼筋網(wǎng)，并且使用鋼筋梯，排距0.8m，間距0.95m。兩排錨桿之間布置直徑為21.6mm，長度為6.3m的鋼絞線錨索，采用“二二”布置，錨索之間用1800mm鋼筋梯子梁聯(lián)結(jié)。

2）巷道左側(cè)（實(shí)體煤側(cè)）安裝直徑22mm，長度3.5m的全長自攻錨桿，巷道右側(cè)（煤柱側(cè)）安裝直徑22mm，長度2.5m的全長自攻錨桿，頂角和底角采用直徑為20mm，長度為2.4m的螺紋鋼錨桿錨桿間距和排距均為0.8m，并且分別向上和向下傾斜15°，螺紋鋼錨桿采用加長錨固。巷道支護(hù)的詳細(xì)情況如圖4所示。

圖4 回風(fēng)順槽支護(hù)方案

5 支護(hù)效果分析

為了檢驗(yàn)21503回風(fēng)順槽支護(hù)方案的效果，對21503工作面回風(fēng)順槽掘進(jìn)及工作面回采過程中巷道圍巖的變形情況進(jìn)行了監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)整理匯總后結(jié)果如圖5所示。

圖5 回風(fēng)巷圍巖變形情況

由巷道位移情況監(jiān)測結(jié)果可知，回風(fēng)順槽掘進(jìn)期間，巷道圍巖的變形量隨著成巷時間的增加逐漸增大，頂板及兩幫的形變集中在成巷45天內(nèi)，變化趨勢基本相同，最大變形量維持在200mm以下。工作面回采期間，當(dāng)與工作面距離在40m以內(nèi)時，圍巖變形速率增大，最大變形量小于450mm，滿足巷道斷面的要求，綜上可知，采用配合自攻錨桿的高強(qiáng)錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)取得了良好的支護(hù)效果。