上行開(kāi)采回采巷道圍巖控制技術(shù)研究

陳 亮，闞甲廣，陳 威，孟金山，李志兵

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇徐州221008;2.煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州221008)

上行開(kāi)采回采巷道圍巖控制技術(shù)研究

陳 亮1，2，闞甲廣1，2，陳 威1，2，孟金山1，2，李志兵1，2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇徐州221008;2.煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州221008)

Surrounding Rock Control Technology of Mining Roadway in Upward Mining

為解決上行開(kāi)采回采巷道圍巖穩(wěn)定性控制問(wèn)題，針對(duì)淮南礦區(qū)某礦1122(3)工作面巷道實(shí)際工程地質(zhì)條件，在分析上位巷道變形特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模擬分析采空區(qū)區(qū)域垂直應(yīng)力分布特征以及不同支護(hù)方案下巷道圍巖的位移分布及變化特征，結(jié)果表明:下伏煤層開(kāi)采對(duì)頂板的影響范圍為100m，處于此影響范圍內(nèi)的巷道圍巖受到嚴(yán)重的開(kāi)采損傷，為此提出采用錨網(wǎng)索組合支護(hù)技術(shù)控制巷道變形，取得較好的支護(hù)效果，為同類巷道支護(hù)提供了一條有效途徑。

上行開(kāi)采;回采巷道;組合支護(hù);控制技術(shù)

淮南礦區(qū)為解決低透氣性煤層瓦斯抽采問(wèn)題，采用上行開(kāi)采方式，將下部的11－2煤層作為下保護(hù)層首先開(kāi)采，降低上部的13－1煤層的應(yīng)力水平，對(duì)于瓦斯治理起到了良好的效果。因下伏保護(hù)層開(kāi)采引起上覆巖層移動(dòng)，破壞原巖應(yīng)力平衡，造成周邊煤巖體產(chǎn)生不同程度地破壞，從而引起應(yīng)力的重新分布，在對(duì)上位煤層進(jìn)行卸壓的同時(shí)，也降低了上位煤層回采巷道的圍巖強(qiáng)度，造成上位煤層回采巷道維護(hù)更加困難［1］。目前，對(duì)上覆近距離煤層跨巷開(kāi)采及跨采巷道維護(hù)的技術(shù)研究取得了顯著的成果，但在下伏煤層開(kāi)采對(duì)上位巷道的采動(dòng)影響方面的研究還很少［2－6］。為此，本文結(jié)合具體工程地質(zhì)條件，利用數(shù)值模擬分析上位煤層巷道周圍應(yīng)力環(huán)境，并提出合理支護(hù)方案。

1 工程地質(zhì)概況

淮南礦區(qū)某礦1122(3)工作面標(biāo)高為－673～－764m，工作面走向長(zhǎng)度約 3000m，傾斜長(zhǎng)度235m。開(kāi)采的13槽煤層賦存較穩(wěn)定，開(kāi)采煤層厚度4.00～4.87m，平均厚度4.33m，但該工作面部分含2～3層炭質(zhì)泥巖夾矸，平均厚度約1.0 m左右，煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。煤層傾角為2～15°，平均5°。工作面周圍的煤層均未開(kāi)采，下伏的1122 (1)工作面2009年1月開(kāi)始回采，2010年5月中旬回采結(jié)束，1122(3)工作面軌道巷于2010年8月開(kāi)始掘進(jìn)。煤巖層綜合柱狀如圖1所示。

2 巷道維護(hù)特點(diǎn)

試驗(yàn)巷道與下伏采空區(qū)位置關(guān)系如圖2所示。

圖1 煤巖層綜合柱狀

圖2 試驗(yàn)巷道與下伏采空區(qū)位置關(guān)系

(1)由圖2可知，1122(3)工作面軌道巷在下伏的1122(1)工作面回采結(jié)束后即開(kāi)始向前掘進(jìn)。1122(3)工作面位于1122(1)工作面正上方，煤層間距僅75m，由于受1122(1)工作面的開(kāi)采影響，上覆巖體仍處于活化階段和塌陷影響范圍之內(nèi)，巷道圍巖穩(wěn)定性控制難度較大。

(2)根據(jù)該礦地質(zhì)條件，13槽頂板巖層多數(shù)為復(fù)合頂板，由炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖和13－2煤層組成，由于軟弱夾層的存在降低了頂板巖層各分層間的結(jié)合力，導(dǎo)致錨桿錨固基礎(chǔ)不能得到可靠保證，支護(hù)初期無(wú)法在頂板形成最基本的錨固結(jié)構(gòu)，增大了支護(hù)難度。

(3)13－1煤層平均厚度為4.33m，該煤層含有2～3層泥巖夾矸和炭質(zhì)泥巖，由于受下伏1122 (1)工作面采動(dòng)的影響，巷道掘進(jìn)時(shí)出現(xiàn)大面積片幫，對(duì)巷道成型和支護(hù)產(chǎn)生不利影響，巷道掘進(jìn)安全很難得到有力保證。

(4)作為回采巷道，巷道走向距離較長(zhǎng) (約3000m)，要求服務(wù)和維護(hù)時(shí)間較長(zhǎng)，使得服務(wù)年限較短的回采巷道支護(hù)中隱蔽的問(wèn)題得以暴露，如圍巖的蠕變、流變效應(yīng)，巷道淋水及多次采動(dòng)影響等，這些問(wèn)題增加了支護(hù)強(qiáng)度及維護(hù)的難度。

(5)由于巷道采用沿頂掘進(jìn)，部分較厚煤層的巷段會(huì)使松軟的底煤和復(fù)合底板在近乎無(wú)約束狀態(tài)下將出現(xiàn)底板大變形，由于目前的底板加固手段施工工藝較復(fù)雜，所以煤巷依靠加強(qiáng)巷幫支護(hù)和加固底角來(lái)控制底鼓很難奏效，并未從根本上解決底板的強(qiáng)烈變形。

3 上行開(kāi)采回采巷道圍巖控制技術(shù)

下部煤層開(kāi)采后，上部巖層及其巷道將發(fā)生整體下沉，雖然此過(guò)程中圍巖應(yīng)力將有所下降，但巷道的變形仍將持續(xù)，這時(shí)的變形將對(duì)巷道圍巖的完整性造成破壞。尤其是在下部煤層開(kāi)采時(shí)，巷道在發(fā)生整體下沉過(guò)程中承受拉變形，而在整體下沉結(jié)束后，巷道承受的是壓變形，故巷道在下部煤層開(kāi)采過(guò)程中，將承受拉壓交替變形［2］。巷道一方面由于下部煤層的開(kāi)采整體發(fā)生下沉移動(dòng)，同時(shí)由于巷道周圍應(yīng)力的重新分布，當(dāng)下位煤層開(kāi)采后造成的上位煤層回采巷道圍巖強(qiáng)度降低幅度大于圍巖應(yīng)力降低幅度時(shí)，會(huì)使得處于裂隙帶內(nèi)的巷道圍巖受到嚴(yán)重的采動(dòng)損傷，造成巷道圍巖整體穩(wěn)定性變差，因此單一形式的支護(hù)方式將難以控制巷道的變形。針對(duì)采空區(qū)上部煤層巷道受載環(huán)境復(fù)雜、圍巖穩(wěn)定性差等特點(diǎn)，提出以錨網(wǎng)為基礎(chǔ)，輔以高預(yù)緊力錨索的組合支護(hù)技術(shù)［7－11］。

(1)通過(guò)采用超高強(qiáng)錨桿及時(shí)支護(hù)巷道并施加高預(yù)應(yīng)力最大限度地?cái)D壓加固圍巖，消除了圍巖中的弱面及離層，使錨桿與圍巖相互作用形成有效承載結(jié)構(gòu)，同時(shí)提高錨固區(qū)域巖體的強(qiáng)度，可以有效減小巷道圍巖塑性區(qū)、破碎區(qū)半徑以及巷道表面位移，保持巷道圍巖穩(wěn)定。

(2)錨網(wǎng)支護(hù)作為一種主動(dòng)支護(hù)方式，相對(duì)于金屬棚等被動(dòng)支護(hù)更能有效控制巷道初期圍巖變形，且具有適應(yīng)能力強(qiáng)，可卸載巷道部分壓力及位移等優(yōu)點(diǎn)。在巷道圍巖變形初期，通過(guò)超高強(qiáng)錨桿配合使用高剛度M型鋼帶及金屬網(wǎng)，使得錨桿的預(yù)應(yīng)力實(shí)現(xiàn)有效擴(kuò)散，提高了對(duì)錨桿之間圍巖的支護(hù)作用，圍巖受力趨于均勻化。

(3)在錨網(wǎng)支護(hù)的基礎(chǔ)上，利用高預(yù)緊力錨索進(jìn)一步加固圍巖，利用錨索錨固范圍大的特點(diǎn)，充分調(diào)動(dòng)深部圍巖的承載能力，使得形成的支護(hù)－圍巖共同承載體的厚度大于巷道松散破碎范圍，抑制圍巖的整體變形。

4 數(shù)值模擬

4.1 模型的建立

根據(jù)礦方提供的1122(3)工作面相關(guān)的地質(zhì)資料，采用FLAC2D建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，模型計(jì)算采用莫爾－庫(kù)侖 (Mohr－Coulomb)屈服準(zhǔn)則，數(shù)值模擬模型如圖3所示。

圖3 數(shù)值模擬模型

假設(shè)圍巖為分層各向同性彈性介質(zhì)，利用平面應(yīng)變計(jì)算模型來(lái)模擬巷道圍巖的變形過(guò)程，由于該模型為對(duì)稱模型，選取實(shí)際工作面長(zhǎng)度的1/2為研究對(duì)象。模型參數(shù)如下:計(jì)算尺寸長(zhǎng)×寬=200m× 140m，巷道寬×高=5.0m×3.4m，采空區(qū)長(zhǎng)×寬= 120m×3.5m，模型的左、右及下邊界均為位移固定約束邊界，上邊界為應(yīng)力邊界，按上覆巖層厚度施加均布載荷。

4.2 采空區(qū)區(qū)域垂直應(yīng)力分布特點(diǎn)

下伏的1122(1)工作面回采后，采空區(qū)區(qū)域垂直應(yīng)力分布如圖4所示。從圖4可以看出，1122 (1)工作面回采后形成了大量的采空區(qū)，為頂?shù)装鍘r體變形移動(dòng)提供了自由空間，回采空間圍巖體上產(chǎn)生應(yīng)力集中引起了巖體的變形破壞，同時(shí)該應(yīng)力還會(huì)向煤層頂板深部傳遞。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，下伏的1122(1)工作面回采對(duì)11－2煤層頂板應(yīng)力影響范圍約100m，說(shuō)明1122(3)工作面巷道正處于應(yīng)力影響范圍之內(nèi)，這會(huì)造成巷道兩幫垂直應(yīng)力分布不對(duì)稱，使巷道維護(hù)十分困難。

圖4 采空區(qū)區(qū)域垂直應(yīng)力分布

4.3 數(shù)值模擬方案

根據(jù)煤巖層綜合柱狀圖，巷道頂板為典型的厚層復(fù)合頂板，支護(hù)難度大，頂板離層難以控制。根據(jù)煤巷層狀頂板預(yù)應(yīng)力控制理論，有關(guān)參數(shù)選取如下:頂板錨桿長(zhǎng)度2.8m，幫部錨桿長(zhǎng)度2.5m，錨索長(zhǎng)度7.7m，頂板錨索每排分別采用3根 (方案1)和5根 (方案2)進(jìn)行模擬計(jì)算。

4.4 巷道位移分布特征分析

根據(jù)數(shù)值計(jì)算模型和巖石力學(xué)參數(shù)，通過(guò)FLAC軟件計(jì)算2種支護(hù)方案巷道穩(wěn)定后頂板下沉量，底鼓量以及左、右?guī)鸵平浚唧w見(jiàn)表1。

表1 掘進(jìn)期間巷道四周最大位移

由表1可知，掘進(jìn)期間方案1與方案2的巷道頂板下沉量分別為135.4mm和103.5mm，相差不大，通過(guò)支護(hù)施加了較高的預(yù)應(yīng)力，使復(fù)合頂板的各個(gè)巖層形成了預(yù)應(yīng)力承載梁結(jié)構(gòu)，提高了頂板的剛性，從而保證了頂板的穩(wěn)定。這是由于頂板錨桿和錨索對(duì)頂板離層發(fā)揮了巨大的控制作用，使得頂板應(yīng)力有效地向巷道兩幫深部轉(zhuǎn)移分解，加強(qiáng)了抗剪強(qiáng)度和抗變形能力。

比較掘進(jìn)期間方案1與方案2巷道兩幫的變形量，方案1、方案2的左、右?guī)偷囊平肯嗖罘謩e為72.5mm和85.3mm，且巷道右?guī)偷淖冃瘟看笥谙锏雷髱?，方?的兩幫移近量比方案1減少了24.5%，約157.8mm。造成這種現(xiàn)象的主要原因?yàn)?一方面幫部錨桿通過(guò)有效改變巷道應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)，具有巨大的抗變形作用，使其不易變形;另一方面頂板錨桿和錨索將垂直應(yīng)力向巷道兩幫轉(zhuǎn)移，使其部分水平應(yīng)力相互抵消，逐漸消弱。由模擬結(jié)果可知，錨桿和錨索聯(lián)合支護(hù)產(chǎn)生了預(yù)應(yīng)力承載耦合作用，在掘進(jìn)期間巷道的變形得到了控制，穩(wěn)定了巷道圍巖的結(jié)構(gòu)。

5 支護(hù)方案與支護(hù)效果

5.1 支護(hù)方案與參數(shù)

預(yù)留巷道斷面必須滿足巷道變形要求，以保證巷道在變形后仍能滿足行人、行車等安全及生產(chǎn)需要，矩形斷面巷道的尺寸為:凈寬×凈高=5.0m× 3.4m。

(1)巷道頂板支護(hù)采用7根錨桿配合長(zhǎng)4.8m的M5型鋼帶和8號(hào)菱形金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，錨桿規(guī)格為22mm－M24－2800mm的IV級(jí)左旋螺紋鋼超高強(qiáng)預(yù)拉力錨桿，錨桿用32mm鉆頭打眼，2節(jié)Z2380型中速樹脂藥卷加長(zhǎng)錨固;錨桿預(yù)緊力扭矩≥200N·m，錨固力≥120kN，錨桿間排距750mm ×800mm。

(2)巷道兩幫采用5根錨桿與長(zhǎng)3.2 m的M5型鋼帶與8號(hào)菱形金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，錨桿規(guī)格為20mm－M22－2500mm的左旋螺紋鋼等強(qiáng)預(yù)拉力錨桿。每根錨桿采用1節(jié)Z2380型中速樹脂藥卷加長(zhǎng)錨固;錨桿間排距750mm×800mm。當(dāng)幫部鋼帶離底板的距離大于300mm時(shí)，要求在巷道下方沿走向鋪鋼帶壓網(wǎng)打錨桿，錨桿預(yù)緊力矩≥200N·m，錨固力≥100kN。

(3)將1套三眼孔高預(yù)應(yīng)力錨索梁布置在頂板每?jī)膳佩^桿中間位置，鋼絞線規(guī)格為21.8mm× 7.7m，鋼絞線與長(zhǎng)2.6m的14號(hào)槽鋼聯(lián)合支護(hù)，間距1.1m，排距800mm。同時(shí)沿巷道走向?qū)?排走向錨索梁布置在橫向錨索梁的兩側(cè)，鋼絞線下鋪設(shè)2.2m的14號(hào)槽鋼 (兩眼孔，間距1.8m)。所有的錨索和槽鋼間配200mm×100mm×16mm的鐵墊，錨索梁緊跟迎頭施工。錨索孔深7.5m，每孔采用3節(jié)Z2380中速樹脂藥卷加長(zhǎng)錨固，以保證錨固效果;錨桿預(yù)緊力范圍為80～100kN，錨固力≥200kN。巷道支護(hù)具體參數(shù)如圖5所示。

圖5 巷道支護(hù)參數(shù)

5.2 礦壓觀測(cè)及支護(hù)效果

在巷道掘進(jìn)期間，通過(guò)在巷道迎頭每隔一定距離設(shè)一表面位移測(cè)站來(lái)觀測(cè)巷道收斂變形量，以此掌握圍巖變形規(guī)律并驗(yàn)證支護(hù)參數(shù)合理性，觀測(cè)結(jié)果如圖6所示。巷道掘進(jìn)后35d，巷道頂板下沉變形基本趨于穩(wěn)定，掘后122d，兩幫移近量393mm，頂板下沉量136mm，底鼓量323mm，支護(hù)方案有效地控制巷道的整體變形，維護(hù)效果良好。

圖6 掘進(jìn)期間巷道圍巖變形曲線

6 結(jié)論

(1)由于下伏1122(1)工作面回采尚未穩(wěn)定，下伏煤層開(kāi)采使上覆巖層巷道圍巖原始應(yīng)力遭到破壞，同時(shí)造成圍巖強(qiáng)度的大幅度降低，使得上位巷道開(kāi)挖后圍巖塑性區(qū)迅速增大，引起上行開(kāi)采回采巷道維護(hù)困難。

(2)未穩(wěn)定采空區(qū)上方復(fù)合頂板的巷道支護(hù)，由于頂板錨桿長(zhǎng)度受井下條件限制，當(dāng)復(fù)合頂板較厚時(shí)，如大于頂板錨固范圍，必須通過(guò)采用高強(qiáng)度的錨網(wǎng)索組合支護(hù)方式及時(shí)主動(dòng)控制圍巖變形，擴(kuò)大圍巖的承載范圍，保證巷道的施工安全。

(3)礦壓觀測(cè)結(jié)果表明，針對(duì)巷道變形特點(diǎn)及周圍應(yīng)力分布，采用錨網(wǎng)索組合支護(hù)，幫頂移近量都在安全范圍內(nèi)，保持了圍巖整體性，取得較好支護(hù)效果，為工作面的順利回采創(chuàng)造有利條件。

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［責(zé)任編輯:王興庫(kù)］

TD353

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1006-6225(2012)05-0063-04

2012－07－06

陳 亮 (1988－)，男，安徽淮南人，碩士研究生，主要從事巷道圍巖控制理論與技術(shù)研究。