近距離采空區下回采巷道錨網索支護技術

熊祥林，陳朋磊

(1.平煤股份四礦，河南 平頂山 467000； 2.河南省煤炭科學研究院有限公司，河南 鄭州 450001)

近距離煤層開采時，往往采用下行開采的方法，進而導致下位煤層開采時因受上位煤層重復采動使得頂板破碎不穩定[1-3]。此外，近距離煤層下位煤層開采時，因受到上位煤層遺留煤柱以及工作面采動影響，下位煤層巷道在全生命周期中會受到強礦壓的影響進而產生難支護、大變形的問題[4-6]。大埋深、高應力近距離下位煤層開采時，強礦壓現象更加突出，雖然相關學者已經進行了大量的研究，然而目前近距離下位煤層仍以小距離內錯上位煤層煤柱為主，巷道因高應力導致的大變形現象不能較好改善。因此近距離下位煤層巷道合理布置、圍巖穩定性控制機理等方面的技術難題亟待解決。

近距離煤層開采與單一煤層開采在覆巖結構、應力傳播等方面有著較大的區別[7-8]，目前近距離煤層開采方面還未形成系統的理論，需要進一步深入研究。張杰[9]針對近距離煤層開采過程中容易產生漏頂問題，以311盤區11-2號層工作面為研究對象，改善了工作面布置方式、巷道支護技術，并提出了相關的回采工藝與頂板控制方法。慈忠貞等[10]以實現某礦近距離煤層安全高效開采為目標，針對不同煤層間配采問題，結合礦井單翼采區準備方式，提出了近距離煤層協同開采的多種配套技術，緩解了采掘接替緊張及采動影響程度。張鐵剛[11]針對極近距離煤層群空區下開采的問題，提出了應力改變率概念，并將其作為判斷下煤層回采巷合理位置的指標，明確了不同地質條件下巷道斷面形狀及支護方式對巷道維護的影響，并以西曲礦為基礎，采用數值模擬得到了合理的巷道布置方式及支護方式。陳喜[12]從定性和定量角度對極近距離煤層進行定義，結合現場實際應用，分析了下位煤層開采期間礦壓顯現規律及覆巖結構和頂板穩定性特征，并將其應用至下位煤層的安全開采。安平華[13]針對煤峪口礦遺留煤柱下方回采時的強動壓問題，采用數值模擬及現場實測的方法，研究了上位煤層中遺留煤柱應力及煤柱底板應力傳播規律。

本文采用數值計算的方法對己16-17-31020工作面運輸巷的不同支護參數的控制效果進行模擬分析，結合巷道的實際生產條件，最終明確了巷道的支護參數。

1 工程概況

圖1 巷道空間位置關系Fig.1 Roadway spatial position relationship

2 巷道控制原則與技術

2.1 巷道控制原則

基于深部近距離下位煤層巷道的受力與變形特征，提倡遵循以下巷道支護原則[14]。

(1)支護方式應適應深部近距離下位煤層埋深大、高應力及破碎圍巖的特殊地質條件，確保“支護體—圍巖”結構的完整性，防止圍巖出現大面積破碎失穩。首要考慮的是具備抵抗高應力、能夠大變形的支護構件，其次需要支護結構的強度、變形極限與圍巖相適應，為“適應性原則”。

(2)選取支護結構及相關參數時，需要將其與巷道圍巖當作一個整體，從而使得支護體與圍巖能夠產生同步的變形與提供承載力，進而確保巷道的整體穩定性，為“整體性原則”。

(3)巷道形狀、巖層性質、受力環境不同均會巷道產生不同的影響，進而產生容易變形失穩的關鍵部位。因此，在選擇支護方案之前需要把該影響因素考慮在內，找出相應的薄弱部位，進行特殊加強支護，為“關鍵部位加強支護原則”。

(4)深部近距離下位煤層巷道在全生命周期中極大可能出現圍巖大變形，既要考慮相關的加固技術，也要考慮對巷道預留一定能力的變形量，為“預留變形原則”。

2.2 巷道控制技術

深部近距離下位煤層巷道的控制技術主要包含以下幾點。

(1)巖體加固技術。深部巷道穩定過程中圍巖是主要的支護承載結構，由于深部巷道應力高等原因，只有有效提高圍巖的自身承載能力才可以保證其穩定性。而采用巖體加固技術，如錨桿、錨索和注漿技術能夠有效提高圍巖自身的承載力，進而更好地保證煤炭安全高效開采。

“累肯定很累，說實話，我們剛開始做這個行業都是對酒的熱愛，對不對？但，酒真的是我唯一認真學過的東西，可以說是我生命中除了人以外最重要的東西。除了家人和朋友最重要的東西，那么努力想去學得更多，天天在看書，天天去品酒，那真是為了（對）葡萄酒的熱愛。但你說做到這個階段，這種熱愛很多時候已經被現在的勞累、責任和工作消磨光了。不能說我現在比以前更安心了，不可能！是因為怕辜負別人而支撐下去，有很多東西都是工作、責任。”

(2)聯合支護技術。巖體加固與巖體支護技術各自具有獨特的適應性和優點，對于復雜條件下巷道往往采用“錨噴、錨索、錨注相結合”為主、被動支護為輔的支護技術能夠取得很好的效果，這種巖體加固與巖體支護技術一起聯合使用的技術稱為“聯合支護技術”。

基于己16-17-31020工作面運輸巷的生產條件、控制技術的適用性與優缺點，本文認為以錨網索為主的巖體加固技術能夠有效解決高應力、受重復采動影響大家近距離下位煤層巷道的大變形問題。

2.3 錨網索控制機理

錨網索支護技術作為主動支護，可以在支護初期提供一定的初撐力，使得巷道圍巖三向受力，提高圍巖自身的強度，從而達到穩定控制的目的。而近距離煤層下位巷道因受到上位煤層采動影響，表現出頂板破碎、強礦壓、大變形等現象，錨網索支護能夠對圍巖結構面離層等起到抑制作用，能夠較好地控制該類巷道的穩定。錨網索支護的支護機理主要體現在以下幾點。

(1)錨桿支護能夠有效控制圍巖的離層、新裂紋產生等破壞，保證圍巖完整性，使其成為主要承載體。錨桿與圍巖共同組成承載結構，抑制承載結構外巖層離層，優化圍巖的應力分布。

(2)錨桿預緊力在巷道支護中具有重要的作用，與托盤、鋼帶、金屬網等結合能夠使得預緊力作用到更大范圍的圍巖中，錨桿預緊力施加越大、越及時，錨桿的支護系統剛度就越大，圍巖強度就越高。

(3)錨索的控制作用主要體現在2個方面。①將錨索與深部圍巖組成一個整體，提高圍巖穩定性；②錨索能夠為圍巖提供較大的預緊力，與錨桿共同構成骨架結構，保證圍巖穩定。

3 圍巖控制模擬分析

己16-17-31020工作面運輸巷位于采空區下方，巷道圍巖應力復雜且破碎。因此，提出3種支護方案，并采用數值模擬分析不同支護方式下巷道圍巖應力及變形分布特征，最終確定己16-17-31020工作面運輸巷合理支護方案。

3.1 模型建立及模型方案

(1)幾何模型。以平頂山某礦己16-17-31020工作面運輸巷的工程實際條件為原型，采用FLAC3D建立如下數值模擬(圖2)，模型長410 m，寬300 m，高120 m，對研究的巷道周圍進行加密處理，模型共劃分330 786個節點，287 000個單元，模型四周限制水平位移，底部采用固支約束，上部施加21.55 MPa垂直應力代替模型頂部上覆巖層，模型采用摩爾—庫侖本構模型進行計算。模型中部剖面如圖2所示，圖2顯示了己16-17-31020工作面和己15煤層工作面之間的空間關系。

圖2 數值計算模型Fig.2 Numerical calculation model

(2)邊界條件。己15煤層與己16煤層研究區域工作面已經確定，模型變量為巷道外錯距離，各方案邊界條件一致。其中，己15煤層煤厚1.5 m，己16-17煤層煤厚3.6 m，己16-17-31020工作面覆巖厚度為770～980 m，于模型上部邊界施加覆巖應力19.40 MPa，側面施加水平應力為6.47 MPa。

(3)材料本構及物理力學參數。煤巖層所用本構模型為摩爾—庫侖模型。

(4)取己15煤與己16-17煤層最小間距8 m，結合礦方施工方案，下位煤層巷道確定采用外錯式布置，且錯距為25 m，現提出以下3種巷道支護方案，3種方案均為錨桿索支護，具體方案見表1，各方案對應模型如圖3所示。

表1 不同支護模擬方案Tab.1 Different support simulation schemes

(5)下位煤層巷道應力及位移測點布置。為研究巷道受采動影響，于巷道周圍布置4條應力監測線和4條圍巖變形監測線，如圖4所示。

圖3 數值模擬各方案模型Fig.3 Numerical simulation of each scheme model

圖4 巷道圍巖測點布置Fig.4 Layout of measuring points for roadway surrounding rock

3.2 模擬結果分析

(1)巷道圍巖應力變化規律。對己15-31020工作面運輸巷掘進后下位煤層巷道頂底板垂直應力及兩幫水平應力進行監測，不同支護方案下巷道圍巖垂直應力分布特征如圖5所示。

圖5 不同支護條件下巷道圍巖垂直應力分布Fig.5 Vertical stress distribution of roadway surrounding rock under different supporting schemes

由圖5可知，不同支護方案下巷道圍巖水平應力分布特征不同，其中方案1、方案2、方案3支護方式下巷道表面最大垂直應力分別為7.61、7.67、9.03 MPa，即支護方案1垂直應力最小、支護方案3垂直應力最大。

不同外錯距離時己15煤層工作面開采完后巷道圍巖水平應力分布如圖6所示。

由圖6可知，不同支護方案下巷道圍巖水平應力分布特征不同，其中方案1、方案2、方案3支護方式下巷道表面最大水平應力分別為8.83、12.56、14.37 MPa，即方案1水平應力最小、方案3水平應力最大。

提取測線上巷道頂底板垂直應力和兩幫水平應力數據，經處理得到下位煤層回采巷道不同支護方案下應力的分布特征。繪制應力分布曲線，如圖7所示。

圖7 不同支護條件下圍巖應力分布曲線Fig.7 Stress variation curve of surrounding rock under different supporting schemes

由圖7可知，不同支護條件下巷道圍巖的應力分布特征不同。其中方案3支護下巷道頂板垂直應力最大、方案1支護下巷道頂板垂直應力最小，2種方案的垂直應力分別為23.94、17.41 MPa；而方案3支護下巷道底板垂直應力最大、方案1支護下巷道底板垂直應力最小，2種方案的垂直應力分別為22.83、13.14 MPa；方案3支護下低幫巷道水平應力最大、方案2支護下低幫巷道水平應力最小，2種方案的水平應力分別為22.61、15.92 MPa；方案3支護下高幫巷道水平應力最大、方案1支護下高幫巷道水平應力最小，2種方案的水平應力分別為27.32、15.68 MPa。

(2)巷道圍巖表面位移變化特征。不同支護條件下巷道圍巖變形分布曲線如圖8所示。

圖8 不同支護條件下巷道圍巖變形分布曲線Fig.8 Deformation curve of roadway surrounding rock under different supporting schemes

由圖8可知，不同支護方案下巷道圍巖變形量不同。其中,方案1支護下巷道圍巖變形量最大、方案3支護下巷道圍巖變形量最小，方案1支護下巷道頂板、底板、高幫、低幫位移量分別為92、43、116、65 mm,方案3支護下巷道頂板、底板、高幫、低幫位移量分別為58、36、69、53 mm。

由上述研究可知，方案1支護下巷道位移量最大，方案3支護下巷道位移量最小，且方案3條件下巷道頂底板、兩幫變形量分別為94、122 mm，認為采用支護方案3時能夠較好控制巷道圍巖變形。

4 結論

(1)對比不同巷道支護方式的優缺點，確定了高強錨網索支護方式，揭示了該支護方式下支護系統與圍巖組成整體以及抑制圍巖離層等的支護機理，提出了3種主動支護方案，采用數值計算軟件對支護參數進行了分析，確定了合理的支護參數。

(2)分析結果表明，采用支護方案3(頂板間排距為1 200 mm×1 600 mm的φ22 mm×6 500 mm預應力錨索+頂板間排距為700 mm×800 mm的φ22 mm×2 600 mm高強預應力錨桿+兩幫間排距為750 mm×800 mm的φ20 mm×2 400 mm高強預應力錨桿)時，巷道圍巖的變形程度最小。該支護參數下巷道頂底板、兩幫變形量分別為94、122 mm，相比方案1，支護3方案支護下頂底板、兩幫變形量分別降低41、59 mm。