近距離煤層煤柱下應(yīng)力分布和巷道支護(hù)技術(shù)

王利軍，王 升

（1.山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)忻州有限公司，山西 忻州 034000；2.江西煤礦安全監(jiān)察局安全技術(shù)中心，江西 南昌 330096）

1 概述

和尚嘴煤業(yè)是資源整合礦井，12-2煤層已被整合前小煤礦開(kāi)采完畢，目前礦井主采14-2煤層。12-2煤層和14-2煤層層間距7.10～16.6 m，平均層間距11.64 m。14-2煤層巷道屬于近距離下煤層巷道。由于布置在采空區(qū)下，巷道掘進(jìn)到12-2煤層煤柱下以及掘進(jìn)離開(kāi)煤柱時(shí)，巷道支護(hù)困難，部分地段巷道頂板和底板移近量1000～1500 mm，兩幫移近量巷1500～1800 mm。

以2103運(yùn)輸順槽為例，在介紹其地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬方法，分析上部煤層不同開(kāi)采方式下，近距離煤層煤柱和采空區(qū)下應(yīng)力分布特征。根據(jù)應(yīng)力分布情況和煤柱下巷道變形特點(diǎn)，提出道布置在煤柱下時(shí)的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)。礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，煤柱下巷道支護(hù)設(shè)計(jì)能很好的控制圍巖變形。

2 地質(zhì)條件分析

2103運(yùn)輸順槽位于和尚嘴煤業(yè)301盤(pán)區(qū)，沿14-2煤層頂板掘進(jìn)，埋深243～300 m，上部12-2煤被小煤礦開(kāi)采完畢，開(kāi)采方式為巷采。

2103運(yùn)輸順槽掘進(jìn)方向右側(cè)為2102運(yùn)輸順槽，凈煤柱20 m，工作面已采完2年，左側(cè)為實(shí)體煤。具體位置見(jiàn)圖1。

圖1 2103運(yùn)輸順槽及周邊平面布置

14-2煤層平均厚度1.43 m，傾角1°～4°。14-2煤層直接底為深灰色粗砂巖，石英長(zhǎng)石為主，泥質(zhì)膠結(jié)，平均厚度4.7 m；14-2煤層直接頂為深灰色細(xì)砂巖，層理發(fā)育，向上顆粒變粗為中粗砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)。12-2煤層和14-2煤層平均層間距11.64 m。再往上為12-2煤層，平均厚度3.14 m。12-2煤層之上為中、細(xì)砂巖和灰色砂質(zhì)巖，致密堅(jiān)硬，塊狀構(gòu)造，平均厚度14.44 m。圍巖綜合柱狀見(jiàn)圖2。

為更好的分析把握頂板巖層條件和圍巖強(qiáng)度，在2103運(yùn)輸順槽開(kāi)口28 m位置進(jìn)行了頂板0～8.6 m范圍內(nèi)的巖層結(jié)構(gòu)窺視和強(qiáng)度測(cè)試，頂板窺視圖見(jiàn)圖3。同時(shí)在幫部對(duì)煤體強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試。

圖2 2103運(yùn)輸順槽圍巖綜合柱狀

圖3 2103運(yùn)輸順槽頂板鉆孔結(jié)構(gòu)窺視

由圖3可知，頂板0～6.3 m為砂巖，泥巖夾層較多，0～3.8 m巖層比較完整，4.2～5.6 m裂隙發(fā)育；6.3～8.6 m為泥巖，6.3～6.8 m局部有軟弱夾層，6.8～8.6 m巖層較完整，7.2 m處有一裂隙。

分析窺視結(jié)果可知，14-2煤層直接頂為砂巖，雖然泥巖夾層較多但保持較好的完整性，在錨桿支護(hù)范圍基本沒(méi)有裂隙，有利于錨桿預(yù)緊力和支護(hù)阻力擴(kuò)散；4.2～5.6 m巖層裂隙較發(fā)育，有可能影響錨索錨固力，錨索錨固端應(yīng)避開(kāi)此段巖層。

采用WQCZ-56型圍巖強(qiáng)度測(cè)試儀器，在巷道頂板鉆孔以及幫部鉆孔內(nèi)對(duì)圍巖強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試表明,頂板巖層0～5.6 m強(qiáng)度較高，平均值為55.46 MPa；5.6～8.8 m強(qiáng)度較低，平均值為27.28 MPa。幫部煤體強(qiáng)度平均值為13.72 MPa。

綜合分析2103運(yùn)輸順槽地質(zhì)和生產(chǎn)條件，其最大埋藏深度為300 m，屬低應(yīng)力區(qū)；頂板巖層僅局部有破碎現(xiàn)象；頂板巖層和幫部煤層強(qiáng)度均較高。頂幫巖層條件較好，預(yù)計(jì)可以采用高強(qiáng)度錨桿錨索支護(hù)。2103運(yùn)輸順槽臨近本煤層采空區(qū)，穩(wěn)定時(shí)間3年以上，凈煤柱20 m。上部12-2煤層預(yù)計(jì)為不規(guī)則開(kāi)采，需采用數(shù)值模擬分析上部煤層開(kāi)采后采空區(qū)和煤柱下應(yīng)力分布情況，為煤柱下巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3 近距離下部煤層巷道應(yīng)力分布數(shù)值模擬研究

采用FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件模擬上部煤層被小煤礦巷采和長(zhǎng)壁開(kāi)采兩種情況時(shí)下部煤層圍巖應(yīng)力分布情況。

根據(jù)2103運(yùn)輸順槽的實(shí)際地質(zhì)條件進(jìn)行數(shù)值建模。上部煤層被小煤礦巷采后塑性區(qū)和垂直應(yīng)力分布情況見(jiàn)圖4和圖5，上部煤層長(zhǎng)壁開(kāi)采后圍巖的垂直應(yīng)力分布情況見(jiàn)圖6。

圖4 上部煤層巷采后塑性區(qū)分布情況

圖5 上部煤層巷采后垂直應(yīng)力分布情況

圖6 上部煤層長(zhǎng)壁開(kāi)采后垂直應(yīng)力分布情況

對(duì)比圖5和圖6可知：①長(zhǎng)壁開(kāi)采煤柱下應(yīng)力集中程度大于巷采，主要因?yàn)殚L(zhǎng)壁開(kāi)采采動(dòng)范圍和頂板運(yùn)動(dòng)范圍更大；②兩種開(kāi)采方式下，巷道進(jìn)入煤柱前2～3 m即出現(xiàn)應(yīng)力集中，需要加強(qiáng)下部煤層巷道支護(hù)；③巷采條件下掘進(jìn)巷道需頻繁進(jìn)出煤柱，增加現(xiàn)場(chǎng)管理難度；④兩種開(kāi)采條件下，采空區(qū)下垂直應(yīng)力均接近為0。

4 煤柱影響下2103運(yùn)輸順槽支護(hù)方式及效果分析

4.1 近距離煤柱下巷道支護(hù)特點(diǎn)

近距離煤柱下巷道有其典型的變形特點(diǎn)，歸納起來(lái)如下：

（1）變形以兩個(gè)巷幫移近為主，底板鼓起時(shí)有發(fā)生。采動(dòng)應(yīng)力主要表現(xiàn)為導(dǎo)致兩幫變形的垂直應(yīng)力。

（2）幫部煤體一旦破碎，將發(fā)生持續(xù)變形。幫部網(wǎng)包嚴(yán)重。

結(jié)合高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)理論和近距離煤柱下巷道應(yīng)力分布情況和變形特點(diǎn)，認(rèn)為近距離煤柱下巷道支護(hù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：

（1）進(jìn)入煤柱前2～5 m，就必須加強(qiáng)支護(hù)；進(jìn)入煤柱后，應(yīng)力集中更加明顯，支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)高于正常段；

（2）幫部煤體一旦破碎，將發(fā)生持續(xù)變形。幫部必須加大護(hù)表構(gòu)件面積；

（3）對(duì)錨桿錨索施加高預(yù)緊力，更好地約束頂幫圍巖變形，真正實(shí)現(xiàn)錨桿錨索的主動(dòng)支護(hù)。同時(shí)，錨桿錨索及其構(gòu)件承載力必須相互配套。

4.2 2103運(yùn)輸順槽支護(hù)設(shè)計(jì)

2103運(yùn)輸順槽沿14-2煤層頂板掘進(jìn)，斷面為矩形，掘進(jìn)高度2.3 m，寬度4.5 m，掘進(jìn)斷面積為10.35 m2。使用高預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索，采用錨網(wǎng)與錨索聯(lián)合支護(hù)。

(1)頂板支護(hù)

錨桿形式和規(guī)格： 桿體為直徑20 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼，屈服載荷105 kN，長(zhǎng)度1800 mm。

錨桿配件：采用高強(qiáng)度錨桿螺母M22，托板采用方形帶拱托板，配套調(diào)心球墊和1010尼龍墊圈，托板尺寸為150 mm×150 mm×8 mm，托板高度不低于34 mm。

錨固方式：樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，采用兩支不同型號(hào)的樹(shù)脂錨固劑，一支規(guī)格為CK2335，另一支規(guī)格為Z2360，鉆頭直徑為28 mm。

采用W鋼帶護(hù)頂： 規(guī)格為厚度3 mm，寬280 mm，長(zhǎng)度4300 mm，孔間距1000 mm。

頂板網(wǎng)片規(guī)格：采用10#鐵絲編織的菱形金屬網(wǎng)護(hù)頂，網(wǎng)片規(guī)格4700 mm×1100 mm，網(wǎng)孔規(guī)格50 mm×50 mm。

錨桿布置：錨桿排距1000 mm，每排5根錨桿，間距1000 mm。

錨桿預(yù)緊扭矩不低于300 N·m。

錨桿全部垂直于頂板進(jìn)行安裝，考慮到施工需要，允許5°誤差。

錨索形式和規(guī)格：錨索材料為17.8 mm，17股預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長(zhǎng)度7300 mm，鉆頭直徑28 mm，采用三支兩種不同型號(hào)的樹(shù)脂錨固劑，兩支規(guī)格為Z2360，一支規(guī)格為CK2335。

錨索托板： 采用300 mm×300 mm×12 mm方形帶拱錨索托板，配套調(diào)心球墊。托板高度不低于58 mm。

錨索“二·二”布置，間距1800 mm，排距2000 mm。全部與巷道頂板垂直打設(shè)，錨索張拉鎖定后預(yù)緊力不低于180 kN。

(2)兩幫支護(hù)

錨桿形式和規(guī)格： 桿體為直徑20 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋，屈服載荷105 kN，長(zhǎng)度1800 mm。

錨桿配件：采用高強(qiáng)錨桿螺母M22，托板采用方形帶拱托板，配套調(diào)心球墊和1010尼龍墊圈，托板尺寸為150 mm×150 mm×8 mm，托板高度不低于34 mm。

錨固方式：樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，采用一支樹(shù)脂錨固劑，規(guī)格為Z2360，鉆頭直徑為28 mm。

W鋼護(hù)板護(hù)幫：規(guī)格為厚度4 mm，寬280 mm，長(zhǎng)度450 mm。

網(wǎng)片規(guī)格： 采用10#鐵絲編織的菱形金屬網(wǎng)護(hù)幫，網(wǎng)片規(guī)格2200 mm×1100 mm，網(wǎng)孔規(guī)格50 mm×50 mm。

錨桿布置：錨桿排距1000 mm，每幫3根錨桿，間距800 mm。

錨桿預(yù)緊扭矩不低于300 N·m。

錨桿全部垂直于巷道幫部進(jìn)行安裝，允許5°誤差。

2103運(yùn)輸順槽煤柱下支護(hù)斷面見(jiàn)圖7。

圖7 2103運(yùn)輸順槽煤柱下支護(hù)斷面

4.3 支護(hù)效果分析

采用上述支護(hù)段在井下開(kāi)展試驗(yàn)，共計(jì)施工125 m巷道。安裝頂板離層儀和錨桿錨索測(cè)力計(jì)，試驗(yàn)段掘進(jìn)期間頂板離層為2～5 mm；回采期間試驗(yàn)段離層為5～8 mm，可見(jiàn)優(yōu)化后支護(hù)效果明顯。

錨桿錨索測(cè)力計(jì)數(shù)值顯示，回采前錨桿受力較為穩(wěn)定；回采時(shí)超前回采面42 m錨桿受力增加，最終為60 kN，錨索受力為125 kN。

掘進(jìn)期間巷道兩幫位移在5～15 mm，回采超前段兩幫變形在35～82 m，未見(jiàn)明顯變形。

5 結(jié)語(yǔ)

1）和尚嘴煤業(yè)2103運(yùn)輸順槽為復(fù)雜采空區(qū)下近距離煤層巷道，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，煤柱下支護(hù)難度較大，容易發(fā)生明顯變形，需要對(duì)其開(kāi)展專題研究。

2）在對(duì)地質(zhì)條件進(jìn)行充分分析的基礎(chǔ)上，采取計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬法，對(duì)上部煤層不同開(kāi)采方式下，煤柱和采空區(qū)下應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析，得到巷采時(shí)煤柱下應(yīng)力集中系數(shù)最大為5.02，煤柱下巷道支護(hù)難度明顯加大。

3）結(jié)合高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)理論，結(jié)合近距離煤柱下巷道應(yīng)力分布情況和變形特點(diǎn)，提出近距離煤柱下巷道支護(hù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，提出2103運(yùn)輸順槽位于煤柱下使用高預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索，采用錨網(wǎng)與錨索聯(lián)合支護(hù)。礦壓監(jiān)測(cè)表明，支護(hù)效果良好，圍巖變形得到有效控制。