上覆含水采空區(qū)近距離煤層巷道支護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用

李建榮 薛旭輝

（1.霍州煤電集團(tuán)白龍礦建公司，山西 霍州 031400；2.霍州煤電集團(tuán)技術(shù)研究院，山西 霍州 031400）

對(duì)煤層群的開采方式一般為下行式開采[1-3]，采用這種開采方法可導(dǎo)致下伏煤層工作面處于采空區(qū)下，下伏煤層工作面的開采會(huì)使采空區(qū)圍巖體發(fā)生再次應(yīng)力擾動(dòng)，且工作面上方的采空區(qū)可能存在大量積水，給巷道圍巖支護(hù)帶來一定的困難[4-5]。本文結(jié)合團(tuán)柏煤礦11-101上覆含水采空區(qū)煤巷工作面地質(zhì)條件，進(jìn)行了支護(hù)設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化，并對(duì)支護(hù)效果進(jìn)行了分析。

1 工程概況

11-101工作面為團(tuán)柏煤礦11煤層設(shè)計(jì)的首采工作面。11-101工作面上方為10煤層采空區(qū)，該區(qū)域10、11煤層平均層間距5.4m，且采空區(qū)局部區(qū)域有較嚴(yán)重的積水現(xiàn)象，11-101工作面順槽屬于采空區(qū)下近距離煤巷工作面。11-101工作面順槽掘進(jìn)過程中的特點(diǎn)如下：

（1）11#煤層首采工作面回采巷道處于10#煤層采空區(qū)下，由于煤層頂板巖層厚度較小，且靠近10#煤層采空區(qū)下的部分巖層因采動(dòng)影響而碎裂，部分薄頂板區(qū)域錨桿錨固段條件差（部分區(qū)域無法施工錨索）。

（2）10#煤層采空區(qū)遺留煤柱（如區(qū)段煤柱）較多，11#煤層可能有巷道穿過10#煤層殘留煤柱區(qū)域應(yīng)力集中區(qū)，該處巷道的礦山壓力顯現(xiàn)將十分劇烈，煤柱下巷道支護(hù)必須采取髙強(qiáng)高預(yù)緊力耦合支護(hù)方式。

（3）10#煤層采空區(qū)低洼點(diǎn)積水，11#煤層巷道掘進(jìn)過程中應(yīng)采取有效的疏放水措施，并且工作面設(shè)計(jì)盡量采用利于疏水的布置方案，巷道錨桿支護(hù)的錨固設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮到錨固方式的防水要求。

（4）11#煤層厚度較大，為實(shí)現(xiàn)機(jī)械化高效開采，巷道斷面大（巷道寬度和高度均大），若頂板留頂煤困難，對(duì)于大厚度煤層區(qū)域需沿頂留底煤掘進(jìn)（如果11煤層粘頂，盡量留頂煤沿底掘進(jìn)，此時(shí)錨桿支護(hù)的技術(shù)要求更加嚴(yán)格）。

2 支護(hù)設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化

2.1 計(jì)算模型與計(jì)算參數(shù)

為分析和優(yōu)化11-101工作面順槽掘進(jìn)支護(hù)參數(shù)，在有限元軟件中建立了分析模型，模型具體參數(shù)為：計(jì)算巷道寬度4.3m，計(jì)算巷道高度2.7m，計(jì)算深度，巷道埋藏深度按350m計(jì)算。

2.2 錨桿類型與支護(hù)結(jié)構(gòu)的確定

由于11#煤層掘進(jìn)巷道上部的10#煤層已開采，且留下了部分煤柱，頂板控制的關(guān)鍵是：

（1）組合梁：根據(jù)組合梁理論，采用高強(qiáng)度高預(yù)緊力錨桿將巷道頂煤以及頂板巖層組合成一個(gè)完整的組合梁，以提高該組合巖層的自承載能力。

（2）懸吊：由于上部采空區(qū)的存在，采用長錨索懸吊在此特殊地質(zhì)條件下是不可能實(shí)現(xiàn)的。因此，為懸吊和限制錨桿加固范圍內(nèi)的組合梁，采用錨索鋼梁系統(tǒng)是較好的選擇。

最終支護(hù)方式：高強(qiáng)預(yù)緊力錨桿+錨桿鋼梁系統(tǒng)。

2.3 錨桿長度分析

通過在模型中分析11-101工作面順槽圍巖的應(yīng)力分布、其最大最小主應(yīng)力情況，可得出11-101工作面順槽的摩爾庫倫安全系數(shù)，并對(duì)安全系數(shù)進(jìn)行模擬分析，如圖1所示。從圖中可以看出巷道頂板0.9m左右的安全系數(shù)低于1.0。

圖1 巷道周圍安全系數(shù)分布

從有限元模型分析中得知，錨固的最小長度應(yīng)為0.9m，根據(jù)此限制，綜合井下實(shí)際的巖性變化（鉆孔資料顯示，11#煤層頂板為不穩(wěn)定巖層及中等穩(wěn)定巖層），考慮一定的安全系數(shù)，選擇頂板錨桿長度為2.4m。

2.4 錨桿預(yù)緊力的確定

錨桿的預(yù)緊力是錨桿支護(hù)的重要參數(shù)，對(duì)支護(hù)效果有較大的影響，合適的錨桿預(yù)緊力應(yīng)達(dá)到以下支護(hù)效果：（1）頂板巖層中無離層發(fā)生；（2）頂板巖層中的拉應(yīng)力區(qū)和拉應(yīng)力值應(yīng)盡量小。

模型計(jì)算所選取的錨桿排距1.0m，為了獲得最佳的預(yù)緊力值，通過改變錨桿支護(hù)系統(tǒng)的預(yù)緊力，進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化計(jì)算，運(yùn)行結(jié)果如下：

（1）30kN預(yù)緊力

圖2為預(yù)緊力為30kN時(shí)的圍巖應(yīng)力及變形情況。如圖所示，在預(yù)緊力為30kN時(shí)，雖然圍巖沒有發(fā)生離層及大的位移，但是在巷道上方1.2m左右存在拉應(yīng)力區(qū)，為提高錨固效果應(yīng)增強(qiáng)預(yù)緊力來減小拉應(yīng)力分布范圍。

圖2 圍巖應(yīng)力分布與圍巖變形計(jì)算結(jié)果（30kN預(yù)緊力）

（2）40kN預(yù)緊力

結(jié)合上一步的分析將預(yù)緊力調(diào)整為40kN，此時(shí)圍巖的應(yīng)力和變形情況如圖3所示。從圖中可以看出，圍巖無離層及大變形，且拉應(yīng)力區(qū)范圍大大減小。因此，錨桿預(yù)緊力應(yīng)不低于40kN。

圖3 圍巖應(yīng)力分布與圍巖變形（40kN預(yù)緊力）

2.5 錨桿直徑的確定

根據(jù)以上的錨桿預(yù)緊力，考慮圍巖的應(yīng)力大小，選取1.5倍的安全系數(shù)。經(jīng)計(jì)算，錨桿選用Q500直徑18mm，其桿體的力學(xué)性能為：理論屈服強(qiáng)度大于127kN，理論抗拉強(qiáng)度大于180kN。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及支護(hù)效果分析

3.1 試驗(yàn)巷道支護(hù)方案及其參數(shù)

（1）錨桿支護(hù)

頂錨桿參數(shù)：Φ18×2400mm，Q500礦用高強(qiáng)螺紋鋼，屈服強(qiáng)度＞127kN，抗拉強(qiáng)度＞180kN，預(yù)緊力4kN以上（對(duì)應(yīng)的安裝扭矩需做井下試驗(yàn)確定），樹脂錨固劑CK2340一支、Z2388一支（根據(jù)井下實(shí)際情況，確定是否采用防水錨固劑），錨桿排距900mm。

幫錨桿參數(shù)：Φ18×2200mm，Q500礦用高強(qiáng)螺紋鋼，屈服強(qiáng)度＞127kN，抗拉強(qiáng)度＞180kN，預(yù)緊力4kN以上（對(duì)應(yīng)的安裝扭矩需做井下試驗(yàn)確定），樹脂錨固劑CK2340一支、Z2388一支，錨桿排距900mm。

（2）錨索鋼梁系統(tǒng)

錨索類型為礦用籠型錨索，錨索直徑為17.78mm，最大破斷力＞360kN，錨索長度為5000mm，蝶形墊片規(guī)格130×8，樹脂錨固劑選用Z2340×2+Z2388（根據(jù)井下實(shí)際情況，確定是否采用防水錨固劑），錨索鋼梁選用11#槽鋼，長度2200mm。支護(hù)設(shè)計(jì)方案如圖4。

圖4 試驗(yàn)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

3.2 觀測(cè)結(jié)果分析

為分析優(yōu)化后的支護(hù)方案的效果，在巷道頂?shù)装寮皟蓭筒贾昧宋灰茰y(cè)點(diǎn)，且每隔一定距離設(shè)置位移觀測(cè)站，由專人進(jìn)行觀測(cè)和記錄位移數(shù)據(jù)。巷道位移觀測(cè)結(jié)果如圖5所示。

圖5 工作面進(jìn)風(fēng)巷頂板及兩幫位移

由圖5可知，11-101煤巷掘進(jìn)工作面頂板最大位移量發(fā)生在距離工作面約100m處，位移量為65mm，之后位移量趨于穩(wěn)定，兩幫最大位移量約為45mm，兩幫位移曲線整體規(guī)律與頂板位移曲線相同。在11-101上覆采空區(qū)煤巷掘進(jìn)工作面采用的支護(hù)技術(shù)達(dá)到了應(yīng)有的支護(hù)效果，保障了煤巷工作面的安全。

4 結(jié)論

（1）結(jié)合11-101上覆采空區(qū)煤巷工作面地質(zhì)條件，選取了合理的支護(hù)方式，建立了有限元模型，對(duì)錨桿長度、預(yù)緊力等參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

（2）根據(jù)優(yōu)化參數(shù)，確定了最終支護(hù)方案，并在巷道內(nèi)進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，得出了巷道頂?shù)装寮皟蓭偷奈灰屏俊?shù)據(jù)表明，該支護(hù)方案取得了較好的支護(hù)效果。