極近距離煤層開采圍巖控制理論及技術(shù)探析

【摘要】成煤條件的不同造成了煤層的厚度、層間距大小的不同，而且在某些情況下可能會出現(xiàn)煤層分岔或合并的現(xiàn)象。我國的大部分礦區(qū)在近距離煤層開放方面都有一定的困難。本文首先介紹了及近距離煤層開采圍巖的特征。然后介紹了極近距離煤層巷道的支護形式以及評價，最后闡述并分析了極近距離煤層開采圍巖控制原理及技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】極近距離煤層；圍巖控制；巷道布置

我國大部分的礦區(qū)在開采煤層時都存在著極近距離的煤層，在分層開采時經(jīng)常性的出現(xiàn)下部煤層開采難的問題，尤其是巷道支護問題。我國學(xué)者在此方面紛紛進行了一系列研究，本文從開采煤層過程中圍巖的特征開始進行論述，對其變形規(guī)律作了詳細分析，并且從支護形式和圍巖控制原理和技術(shù)方面進行了探討，希望有助于礦區(qū)開采工作的順利開展。

1、極近距離煤層開采圍巖特征

在開采極近距離煤層的過程中會嚴(yán)重破壞其下部的煤層頂板完整性。在開采上部煤層的過程中會破壞到下部的煤層頂板，從而造成下部煤層頂板的裂隙和節(jié)理更加的發(fā)育，進而不易控制頂板，在掘進巷道的過程中會發(fā)生漏頂?shù)氖鹿剩踔習(xí)写竺娣e冒頂事故發(fā)生，以致維護巷道頂板會有很大的難度。下部煤層巷道的變形規(guī)律為：當(dāng)開采上部的煤層后，由于下部煤層的頂板強度低、厚度薄，再加上開采上部煤層時受到破壞，則頂板的穩(wěn)定性特別弱，只要有些許的變形，就能發(fā)生整體的垮落。如果頂板的整體完整性可以保持下來，在提高其承載能力的情況下就可以維護頂板的穩(wěn)定性。

2、極近距離煤層巷道支護形式及評價

國內(nèi)學(xué)者對極近距離煤層巷道的支護形式進行了深入的研究，得出其支護形式有架棚支護、“錨網(wǎng)+架棚”聯(lián)合支護、錨桿桁架支護、“錨桿+注漿”混合支護四種支護形式。

2.1 架棚支護

當(dāng)開采了極近距離的上部煤層后，則下部煤層的頂板與采空區(qū)的距離就變得特別近，當(dāng)向里掘進的時候就頂板巖層比較完整且頂板的壓力較小，此時就可以采取架棚支護形式。一般情況下都是采用工字鋼或者U型鋼，有支護成本適中、成巷速度較快、支護工藝簡單的優(yōu)點。但是由于工字鋼或者U型鋼的承受能力比較弱，當(dāng)巷道壓力比較大的時候容易發(fā)生棚、梁側(cè)翻，造成棚腿和棚梁的接觸點錯位，從而失去支撐力。

2.2 “錨網(wǎng)+架棚”聯(lián)合支護

極近距離煤層開采常用的支護形式就是“錨網(wǎng)+架棚”聯(lián)合支護的形式。利用錨桿將巷道頂板的淺部離層控制住就可以保證頂板完整性，然后再用架棚支護就可以防止頂板的垮落。利用這種支護形式有頂板控制好、支護強度高的優(yōu)點，可以解決一般的支護問題。但是在支護的過程中由于支護的工藝比較繁瑣，加大了工人的勞動強度，成巷的速度過慢，而且回采金屬棚的難度比較大，在回采的過程中速度比較慢。

2.3 錨桿桁架支護

目前只有少數(shù)的礦區(qū)采用了錨桿桁架支護的形式，對于極近距離煤層開采巷道過程中遇到的部分問題可以解決。但是由于其施工難度較大，支護的方式比較復(fù)雜，所以應(yīng)用的范圍比較小。

2.4 “錨桿+注漿”混合支護

由于開采上部煤層后破壞了下層頂板的完整性，厚度比較薄而且還有部分破碎的地方，因此先采用注漿來密實充填巖層的裂縫和空隙，然后利用錨桿加固。也有的礦區(qū)將錨桿和注漿結(jié)合起來使用注漿中空錨桿來完成此種工藝?！板^桿+注漿”支護方式適用于極近距離的煤層開采巷道支護。但是注漿成本高，施工繁瑣且操作性差，故其應(yīng)用范圍比較小。

3、極近距離煤層開采圍巖控制原理及技術(shù)

第一種控制原理就是通過加固頂板來提高塑性區(qū)和破碎區(qū)煤巖體的整體性，從而使得組合梁的承載能力較高。當(dāng)開采極近距離煤層的上部后，采空區(qū)的圍巖處于參與應(yīng)力狀態(tài)，其應(yīng)力就會重新分布，此時下面的煤層頂板只會承受比小的壓力，但是由于下部頂板強度低，厚度薄，破碎易冒頂，此時選取的加固方法強度達到某種程度才能滿足提高頂板煤層完整性的作用，從而發(fā)揮其承載能力。為使頂板表面的護表面積擴大需要采用強力W寬鋼帶。為加固頂板淺部圍巖應(yīng)該用高強錨桿提高預(yù)應(yīng)力。從而使得滑移面上的摩擦力增大，使用高強度的錨桿其作用相當(dāng)于是“銷釘”，使得破壞面的抗剪強度增大，提高其等效年距離。在具有高預(yù)應(yīng)力的錨桿加固下，在很大程度上提高了頂板的承載能力和整體性；實際上在加固頂板的時候并不是只有錨桿起到了作用，由于開采上部的煤層后，下部的巷道在采空區(qū)的下方，這樣就以巷道兩幫為支點結(jié)合頂板形成疊合梁。而且疊合梁內(nèi)的隔層煤巖體在載荷的作用下都有其各自的單獨彎矩，使得每層煤巖體的下邊緣處于受拉狀態(tài)，上邊緣處于受壓狀態(tài)。

用高應(yīng)力錨桿加固巷道頂板后，原來的疊合梁就會變成組合梁。巷道頂板錨固范圍內(nèi)的煤巖層被高預(yù)應(yīng)力錨桿緊緊鎖住，從而形成一個相對比較厚的組合梁。組合梁在上覆巖層荷載作用下最大應(yīng)力和最大彎曲應(yīng)變都大幅度的減小，而且其撓度也會降低。組合梁越厚，梁的撓度、最大應(yīng)力和最大應(yīng)變越小。

以材料力學(xué)相關(guān)理論為基礎(chǔ)，在頂板中各巖層的彈性模量相等的條件下，組合梁的撓度和最大拉應(yīng)力以及疊合梁的比值分別為：

其中，在式（1）和式（2）中各符號表示的內(nèi)容如下：σmaxc表示組合梁的最大拉應(yīng)力。σmaxl表示疊合梁的最大拉應(yīng)力。fl表示疊合梁的撓度，fc表示組合梁的撓度，hi和h∫表示各煤巖層的厚度。n表示煤巖層的總層數(shù)。

由公式可知，當(dāng)各煤巖層厚度相同是，組合梁的撓度和最大拉應(yīng)力分別為疊合梁撓度和拉應(yīng)力的1/n2和1/n。由此可知，當(dāng)組合梁由高預(yù)應(yīng)力錨桿錨固后，就可以大幅度減小頂板下沉量并降低巷道頂板煤巖層的應(yīng)力。

第二種控制原理是通過短錨索補強加固來進行控制，從而提高頂板的整體剛度和強度，形成強度高和厚度大的組合梁。在開采極近距離的煤層時，留出一定厚度的頂煤來作為頂板，這樣的話作為頂板的頂煤與上下煤層巖層合并增強了厚度，此時可以采取短錨索。我們用高預(yù)應(yīng)力的錨桿對煤巖層加固智能設(shè)計到下部煤層頂板淺部的部分，為保持頂板的征地穩(wěn)定性，需要加固錨桿支護以上的松散煤巖層，這樣就可以提高梁的厚度，將巷道的頂板形成整體的組合梁。共同支撐上部采空區(qū)。利用短錨索可以深入到未加固的煤巖層中，然后通過樹脂錨固劑粘結(jié)具有裂隙的煤巖層，從而改善圍巖的力學(xué)性能，使頂板的整體穩(wěn)定性有所提高?？傊枚体^索施加高預(yù)緊力，從而使得頂板煤巖體的強度加大，以此形成組合梁，從而對于梁的整體剛度有所加強，通過對頂板圍巖的自穩(wěn)性加強來保持整體巷道頂板的穩(wěn)定。

第三種控制原理是通過對巷道兩幫的支護強度加強，來保證整體巷道的穩(wěn)定性。開采上部煤層后，其就會將應(yīng)力轉(zhuǎn)移到殘留煤柱，從而形成高集中應(yīng)力。由于在上部的煤層殘留煤柱附近有煤層巷道，則巷道必然會由于高集中應(yīng)力的傳播和擴散而受到影響，由此其兩幫所受應(yīng)力較大，尤其是靠近煤柱側(cè)巷幫壓力更大。巷道兩幫的穩(wěn)定性直接關(guān)系到其頂板的穩(wěn)定性，只有巷道兩幫穩(wěn)定，才能保證頂板的穩(wěn)定，因此我們需要通過采用高預(yù)應(yīng)力高強度的錨桿來加強巷道兩幫的支護，合理控制巷道兩幫圍巖的變形情況來確保整體巷道的穩(wěn)定。

4、結(jié)束語

總之，在開采極近距離煤層時，當(dāng)開采完上部的煤層后，則下部煤層的巷道頂板受力比較小，而且其強度低、厚度薄，比較容易垮落。巷道受采空區(qū)圍巖的殘余壓力，因此保持巷道的兩幫承受力對于維護頂板整體穩(wěn)定性有著非常重要的作用，所以我們可以根據(jù)圍巖控制原理，并據(jù)實際情況采取各種形式的支護技術(shù)來確保巷道整體穩(wěn)定。