近距離上層采空區(qū)煤柱下方煤巷支護(hù)技術(shù)研究

王 向

（山西汾西香源煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 呂梁 030500）

1 工程概況

山西焦煤汾西礦業(yè)香源煤業(yè)1304 工作面四周3#煤層均為未采區(qū)，上部為1204、1206 工作面2#煤層采空區(qū)，上距2#煤層6.87～8.58 m。1304 工作面開(kāi)采山西組3#煤層，煤層厚度0.8～1.5 m，含1～2層夾矸，平均厚度1.16 m，屬可采的穩(wěn)定薄煤層。工作面基本處于單斜構(gòu)造區(qū)，位于王山嶺向斜（Z1）北部，煤巖層走向大致166°，傾向大致256°，傾角1°～7°。據(jù)三維勘探及附近地質(zhì)資料分析，本工作面地質(zhì)構(gòu)造中等，預(yù)計(jì)發(fā)育有小斷層。工作面運(yùn)輸巷、材料巷沿3#煤層頂板布置，切眼布置在北側(cè)，運(yùn)輸巷布置在東側(cè)，工作面由北向南推進(jìn)。

2 巷道支護(hù)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

2.1 原支護(hù)方案

1304 工作面上部為2#煤層采空區(qū)，1304 材料巷布置在1206 工作面采空區(qū)下方，1304 運(yùn)輸巷布置在1204 與1206 采空區(qū)間區(qū)段煤柱正下方，煤柱寬度25 m。1304 運(yùn)輸巷掘進(jìn)斷面寬、高=5.4 m、3.5 m，原設(shè)計(jì)采用普通錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，具體支護(hù)：頂板采用高強(qiáng)錨網(wǎng)+W 鋼護(hù)板+錨、索聯(lián)合支護(hù)，頂板錨桿規(guī)格Ф20 mm×2300 mm、200 mm×460 mm×6.0 mm 的W 鋼護(hù)板、150 mm×150 mm×10 mm 的沖壓托盤(pán)、球形墊圈及減磨墊圈，配套2 支MSK2355 型錨固劑，間排距為700 mm×800 mm；頂板錨索采用Ф21.8 mm×7100 mm（1×19 股）鋼絞線，配套使用三支MSK2355 樹(shù)脂錨固劑，垂直頂板布置，頂板每間隔1600 mm 施工一根，每一排布置3 根。兩幫錨桿規(guī)格Ф18 mm×2000 mm，間排距800 mm×800 mm。錨桿、錨索布置詳情如圖1。

圖1 1304 運(yùn)輸巷原支護(hù)斷面（mm）

2.2 礦壓特征及支護(hù)問(wèn)題

1304 運(yùn)輸巷屬于近距離煤層煤柱下回采巷道，兩幫煤體強(qiáng)度較低，巷道圍巖受到上覆巖層煤柱集中載荷的影響，巷道開(kāi)挖支護(hù)完成后，相鄰錨桿之間出現(xiàn)大量的鼓包網(wǎng)兜現(xiàn)象，幫部?jī)?nèi)移較嚴(yán)重，多處相對(duì)移近量可達(dá)400～700 mm。頂板巖層裂隙較發(fā)育，主要表現(xiàn)為頂板整體下沉，局部出現(xiàn)錨桿、錨索破斷失效問(wèn)題，頂板巖層離層較嚴(yán)重。為研究1304 運(yùn)輸巷圍巖內(nèi)裂隙發(fā)育情況，在1304 運(yùn)輸巷里程75 m 處鉆孔窺視，結(jié)果如圖2。巷道淺部圍巖破碎較嚴(yán)重，如圖2（a）；根據(jù)圍巖裂隙發(fā)育情況進(jìn)行分段，圍巖破壞情況如圖2（b）。兩幫圍巖破碎深度約為0.5～0.7 m，輕微破碎的圍巖發(fā)育深度1.1～1.3 m，頂板嚴(yán)重破碎圍巖的發(fā)育深度為1.0～1.1 m，較破碎圍巖的發(fā)育深度2.7～2.9 m，頂板巖層破碎較嚴(yán)重，破碎范圍較大，已顯著超出頂板錨桿有效支護(hù)范圍，現(xiàn)有支護(hù)方案無(wú)法有效控制巷道的失穩(wěn)破壞。

圖2 鉆孔窺視結(jié)果

3 巷道支護(hù)技術(shù)優(yōu)化

3.1 保障錨索錨固力

預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)錨索是將錨索尾部通過(guò)錨固劑錨固在巷道較深圍巖內(nèi)，端部安裝托盤(pán)和鎖頭并施加預(yù)應(yīng)力，使錨索的張拉力以外錨固端壓力的方式作用在圍巖上，起到平衡圍巖應(yīng)力的效果[1-2]。錨索具有長(zhǎng)度較大的特點(diǎn)，可以對(duì)錨桿支護(hù)起到結(jié)構(gòu)補(bǔ)償作用，充分調(diào)動(dòng)深部較穩(wěn)定圍巖的承載能力。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，1304 運(yùn)輸巷兩幫煤體強(qiáng)度低、較松散破碎，巷道幫部施工錨索時(shí)，錨索尾部錨固效果較差，無(wú)法施加設(shè)計(jì)所需的預(yù)應(yīng)力，且常發(fā)生脫錨現(xiàn)象，急需改善錨索的錨固狀況。據(jù)此設(shè)計(jì)管狀卡扣裝置來(lái)提升錨固效果，通過(guò)空心鋼管切割、沖壓而成，鋼管長(zhǎng)度約10 cm，內(nèi)徑22 mm，外徑26 mm，切縫長(zhǎng)度4～5 cm。空心鋼管安裝在距錨索底部0.5 m、1.0 m 處（錨固段），張角一端朝向錨索端部。錨索安裝后，管狀卡扣可有效提升錨索錨固性能，頂板錨索張拉力由原先的180 kN 提升至250 kN，幫錨索張拉力由原先的120 kN 提升至190 kN。

3.2 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

結(jié)合巷道圍巖地質(zhì)條件及現(xiàn)有支護(hù)方案，設(shè)計(jì)采用長(zhǎng)錨索對(duì)巷道進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。頂板錨索規(guī)格Φ21.8 mm×7100 mm，采用“3-4-3”布置，間排距1400 mm×800 mm；實(shí)體煤幫錨索規(guī)格Φ21.8 mm×5300 mm，采用“3-2-3”布置，間排距900 mm×800 mm；煤柱幫錨索規(guī)格Φ21.8 mm×3500 mm，采用“3-4-3”布置，間排距900 mm×800 mm。頂錨索預(yù)應(yīng)力240 kN，幫錨索預(yù)應(yīng)力160 kN。

為驗(yàn)證1304 運(yùn)輸巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案的可行性，分析近距離采空區(qū)煤柱下巷道掘進(jìn)期間圍巖變形規(guī)律。以1304 運(yùn)輸巷掘巷為研究對(duì)象，采用以連續(xù)介質(zhì)有限元數(shù)值模擬軟件FLAC3D進(jìn)行分析[3-4]，得到圖3 所示結(jié)果。原支護(hù)條件下巷道圍巖塑性區(qū)呈不對(duì)稱(chēng)分布，實(shí)體煤幫塑性破壞深度更大，頂板塑性破壞深度達(dá)到5.5 m，實(shí)體煤幫塑性破壞深度達(dá)到3.5 m，煤柱幫塑性破壞深度2.5 m，頂板最大下沉量352.8 mm，底板最大底鼓109.3 mm。圍巖塑性破壞深度大、分布范圍廣，表面變形量大，圍巖控制效果差。補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)條件下，圍巖塑性區(qū)基本呈左右對(duì)稱(chēng)分布，頂板巖層塑性破壞深度為3.5 m，幫部塑性破壞深度2.0 m，圍巖塑性破壞深度顯著減小，頂板最大下沉量144.3 mm，底板最大底鼓18.6 mm，巷道表面變形量明顯減小，支護(hù)效果顯著提高，表明設(shè)計(jì)的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案合理有效。

圖3 數(shù)值模擬研究結(jié)果

4 1304 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案設(shè)計(jì)及應(yīng)用

4.1 1304 運(yùn)輸巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案

結(jié)合前文研究成果，設(shè)計(jì)采用長(zhǎng)錨索進(jìn)行1304運(yùn)輸巷的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，新掘巷道同樣采用該補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案，詳見(jiàn)圖4。所有錨索均安裝管狀卡扣錨固力保障措施，頂板補(bǔ)強(qiáng)錨索布置在原支護(hù)未布置錨索的錨桿之間，頂板錨索均沿豎直方向布置，幫錨索布置在幫錨桿之間，均垂直巷幫沿水平方向布置。頂板錨索預(yù)應(yīng)力≥240 kN，幫錨索預(yù)應(yīng)力≥160 kN。錨索必須緊跟工作面，并保證錨索錨入穩(wěn)定巖層內(nèi)深度≥1.5 m，所有錨索必須緊貼巖面。

圖4 1304 運(yùn)輸巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案（mm）

4.2 支護(hù)效果分析

1304 運(yùn)輸巷采用優(yōu)化支護(hù)掘巷期間進(jìn)行綜合礦壓監(jiān)測(cè)，如圖5。巷道變形主要集中在距迎頭40 m 范圍內(nèi)，頂?shù)装遄畲笠平繛?54 mm，兩幫最大移近量為128 mm，頂板離層主要集中發(fā)生在距離迎頭100 m 范圍內(nèi)，淺部基點(diǎn)最大離層量為22 mm，深部基點(diǎn)最大離層量31 mm，滯后掘進(jìn)工作面100 m 后圍巖基本穩(wěn)定，補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)效果良好。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果

5 結(jié)論

香源煤業(yè)1304 運(yùn)輸巷布置在上層采空區(qū)煤柱下方，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及鉆孔窺視研究表明，原有支護(hù)條件下掘巷期間，巷道表面變形量大，圍巖破碎深度較大，支護(hù)方案無(wú)法有效控制圍巖的失穩(wěn)破壞。結(jié)合礦井生產(chǎn)地質(zhì)條件設(shè)計(jì)錨索保障措施，采用長(zhǎng)錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，數(shù)值模擬研究論證補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案的合理有效性，滯后掘進(jìn)工作面100 m 后圍巖基本穩(wěn)定，補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)效果良好。