團柏礦采空區(qū)下近距離煤巷圍巖控制技術

張小康　王海平　連傳杰　馬長青

(1.山西焦煤霍州煤電集團；2.山東科技大學(泰安校區(qū)))

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團柏礦采空區(qū)下近距離煤巷圍巖控制技術

張小康1王海平1連傳杰2馬長青2

(1.山西焦煤霍州煤電集團；2.山東科技大學(泰安校區(qū)))

摘要團柏煤礦11#煤層距離上部10#煤層采空區(qū)僅5.4 m，為典型的近距離煤層下開采。11煤層工作面受10#煤層采空區(qū)影響，頂板完整性差，采用傳統(tǒng)工字鋼型支護達不到要求，巷道易發(fā)生垮冒事故。為此，采用數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗的方法，改進了10-110(1)運輸巷的支護方案，采用高強預緊力錨桿錨索聯(lián)合支護，有效控制了巷道圍巖變形,支護效果較好。

關鍵詞碎裂頂板防水錨固劑數(shù)值模擬頂板淋涌水

近年來，隨著開采強度的不斷增加，煤炭資源的開采條件愈發(fā)惡化，團柏煤礦面臨采空區(qū)下極近距離煤層開采的難題。由于受到上采空區(qū)采動影響，下煤層開采時頂板完整性差，加之上煤層采空區(qū)老窯水影響，淋水巷道圍巖裂隙進一步發(fā)育，巷道礦壓顯現(xiàn)劇烈，支護難度大[1-3]。采用高強預緊力錨桿錨索聯(lián)合支護，能有效控制該礦10-110(1)運輸巷圍巖變形，解決了該礦采空區(qū)下極近距離巷道支護困難的問題。

1　工程概況

團柏煤礦現(xiàn)開采11#煤層，煤層埋藏深度300～357m，煤層厚3.1～3.3m，平均3.2m，傾角2°～6°，平均4°，上部為10#煤層采空區(qū)，11#煤層上距10#煤層采空區(qū)平均5.4m。11#煤層頂板為粉砂巖，巖性較為堅硬，遇水不變形膨脹，抗壓強度為46.21MPa，抗拉強度為3.89MPa。

2　錨桿預緊力對圍巖控制影響分析

圖1為桿體強度Q500、直徑為18mm的錨桿，在不同安裝應力下的錨桿受力與圍巖位移曲線圖。

圖1　不同安裝應力下圍巖位移曲線 1—預應力4 t;2—預應力0 t

從曲線1可以看出，當達到錨桿屈服強度時圍巖變形為12.5mm，當錨桿發(fā)生破斷時圍巖的位移為60mm；曲線2中，由于錨桿初期未施加預緊力，圍巖發(fā)生較大變形后錨桿才開始受力但增加緩慢，錨桿受力后首先擠壓破碎圍巖，所以當達到錨桿屈服強度時，圍巖變形量已達到36mm，錨桿發(fā)生破斷時圍巖的變形已達到90mm。

通過以上分析可以看出，較高的錨桿預緊力能夠有效地提高錨桿支護效率[4]。

3　錨桿強度對圍巖控制的影響

為研究錨桿強度對圍巖控制的影響，應用有限差分軟件FLAC3D建立巷道支護模型，模擬巷道埋深350m時，分別采用高強Q500錨桿與Q335 φ20mm普強錨桿支護巷道，研究巷道圍巖穩(wěn)定性情況。

圖2(a)為采用高強Q500、φ18mm錨桿支護時的巷道垂直位移云圖，圖2(b)為采用Q335、φ20mm普強錨桿支護時的巷道垂直位移云圖。由圖2可以看出，采用高強Q500錨桿支護時頂板最大下沉量為216mm，采用普強Q335錨桿支護時的最大下沉量為379mm，而且整個巷道頂板的下沉量均大于300mm。因此，采用高強錨桿支護的巷道能有效控制頂板下沉。

圖3為不同強度錨桿支護時圍巖垂直應力云圖。

從圖3可以看出，高強錨桿能降低拉應力的大小及分布范圍，使用高強錨桿時巷道表面最大拉應力1MPa；普強錨桿頂板最大拉應力區(qū)為9MPa，明顯超出了巖石的抗拉強度(3.89MPa)，此條件下頂板易發(fā)生拉伸破壞。從應力分布情況分析，采用高強錨桿支護后，垂直應力可以有效地通過頂板傳遞到巷道兩幫，減少了垂直應力對巷道頂板的破壞。

圖2　不同強度錨桿控制圍巖垂直位移云圖

圖3　不同強度錨桿控制圍巖垂直應力云圖

4　巷道支護方案及支護效果

通過對近距離煤層采空區(qū)下淋水巷道圍巖控制影響因素分析，確定10-110(1)運輸巷道采用高強錨桿錨索聯(lián)合支護方式：即采用φ18mm×2 200mm，Q500礦用高強螺紋鋼錨桿，預緊力不低于40kN；礦用籠型錨索，直徑17.78mm，長度4 500mm，選用FSCK2340×3防水樹脂錨固劑。

為研究團柏煤礦10-110(1)運輸巷道支護方案與支護參數(shù)的合理性，對支護后的巷道頂板下沉量進行了監(jiān)測，見圖4。從圖4中的巷道移近量監(jiān)測結果可以看出，在觀測位置距掘進工作面迎頭100m時，巷道頂板和兩幫的移近量開始趨于穩(wěn)定，頂板最大下沉值為5mm，兩幫最大移近量為16mm，證明所選支護方案能夠較好地維持巷道穩(wěn)定性。

圖4　1#測點巷道移近量曲線 ●—底鼓量;▲—兩幫移近量；■—頂板下沉量

5　結　語

(1)通過現(xiàn)場調查與理論分析，得出11-110工作面巷道難以支護的主要影響因素為上煤層采空區(qū)的頂板破碎，采空區(qū)積水對頂板的弱化作用。

(2)通過理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗的方法，研究了預應力大小、錨桿強度對圍巖控制的影響，確定了11-110工作面巷道支護方案及支護參數(shù)。

(3)對支護后的巷道穩(wěn)定性進行現(xiàn)場實測，結果表明，高強預緊力錨桿錨索聯(lián)合支護，能有效控制圍巖變形，支護效果良好。

參考文獻

[1]錢鳴高，石平五．礦山壓力與巖層控制[M]．徐州市:中國礦業(yè)大學出版社，2005．

[2]高建軍，張忠溫．平朔礦區(qū)近距離煤層采空區(qū)下巷道支護技術研究[J]．煤炭科學技術，2014，42(6)：1-4．

[3]張百勝．極近距離煤層開采圍巖控制理論及技術研究[D]．太原：太原理工大學，2008．

[4]康紅普，姜鐵明，高富強．預應力錨桿支護參數(shù)設計[J]．煤炭學報，2008，33(7):721-726．

(收稿日期2016-04-26)

張小康(1962—)，男，副總工程師，教授級高級工程師，博士，031400 山西省霍州市鼓樓東街188號。