近距離煤層采空區(qū)下巷道圍巖松動(dòng)圈分析及支護(hù)技術(shù)研究

亢克勤

（陽(yáng)煤集團(tuán)三礦生產(chǎn)調(diào)度指揮中心，山西 陽(yáng)泉 045000）

1 工程概況

某礦23305下工作面位于二水平三采區(qū)中部，工作面主采3#下煤層，煤層厚度為1m～3.2m，煤層上方直接頂為泥巖，均厚為1.9m，基本頂為中粒砂巖，均厚為8.3m，3#煤層與3#下煤層間的平均間距為10m，屬于近距離煤層，煤層直接底為粉砂巖，23305下工作面回風(fēng)巷位于23305工作面采空區(qū)下方，回風(fēng)巷長(zhǎng)度為1094m，回風(fēng)巷斷面的尺寸為寬×高=4.6×3.2m，工作面為傾斜條帶布置，開切眼長(zhǎng)度180m，采用綜合機(jī)械化采煤工藝，現(xiàn)3#煤層已經(jīng)回采完畢，故23305下工作面回風(fēng)巷屬于近距離煤層采空區(qū)下巷道。

2 巷道松動(dòng)圈分析

為充分了解上覆23305工作面回采工作時(shí)對(duì)底板的破壞深度及回風(fēng)巷掘進(jìn)過程中對(duì)巷道圍巖的破壞程度，通過在23305下工作面回風(fēng)巷頂板及兩幫進(jìn)行松動(dòng)圈測(cè)試，以此確定巷道圍巖的松動(dòng)圈的范圍。

在回風(fēng)巷頂板及兩幫使用鉆孔打設(shè)Φ42mm，深度為5m的鉆孔，鉆孔從距離工作面開切眼20m的位置處開始打設(shè)，巷道斷面上在左幫、右?guī)图绊敯迳蟼€(gè)布置1個(gè)鉆孔，巷道斷面內(nèi)的3個(gè)測(cè)孔一個(gè)測(cè)試組，每個(gè)測(cè)試組之間的間距為40m，共計(jì)在巷道不同位置對(duì)12個(gè)鉆孔進(jìn)行松動(dòng)圈測(cè)試，其中頂板測(cè)試孔位4個(gè)，兩幫測(cè)試孔位8個(gè)，具體回風(fēng)巷松動(dòng)圈測(cè)試位置如圖1所示。

圖1 回風(fēng)巷松動(dòng)圈測(cè)試位置示意圖

根據(jù)頂板松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果，4個(gè)不同位置頂板松動(dòng)圈的測(cè)試結(jié)果如圖2（a）所示，通過分析圖4能夠看出，巷道不同位置4個(gè)頂板鉆孔的波速基本保持一致變化趨勢(shì)，在距離孔口2m的位置處，孔內(nèi)的波速的變化較大，隨著鉆孔深度的增大，在距離孔口2.5m的位置處，波速便又逐漸趨于穩(wěn)定，據(jù)此能夠得知巷道頂板松動(dòng)圈的范圍在0～2.5m；4個(gè)不同位置兩幫的松動(dòng)圈的測(cè)試結(jié)果也基本保持一致，現(xiàn)對(duì)1號(hào)測(cè)試組的波速-距孔口距離進(jìn)行具體分析，曲線圖如圖2（b），由圖中能夠看出巷道右?guī)豌@孔內(nèi)的波速在距孔口1.5m的位置處縱波波速發(fā)生了較大的變化，在距離鉆孔孔口2m的位置處縱波波速逐漸趨于穩(wěn)定，巷道左幫鉆孔在1.5m的位置處波速發(fā)生突變，據(jù)此可判斷該處巷道圍巖存在裂縫[1-2]，隨著鉆孔深度的增大，縱波波速在2.0m的位置處趨于穩(wěn)定，基于上述巷道頂板及兩幫鉆孔松動(dòng)圈的分析結(jié)果，綜合確定巷道松動(dòng)圈的厚度在2.5m。

圖2 回風(fēng)巷松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果

3 支護(hù)方案與效果

3.1 支護(hù)方案

1）3#煤層底板破壞深度計(jì)算。根據(jù)煤柱支承壓力對(duì)底板破壞的相關(guān)理論[3-4]，可知采場(chǎng)底板損傷深度h0、底板巖體最大破壞深度距離工作面端的水平距離l1和采空區(qū)底板破壞區(qū)沿水平方向的最大長(zhǎng)度l2的表達(dá)式為：

式中：k為應(yīng)力集中系數(shù)；H為采深，m；M為采高，m；C為煤體的內(nèi)聚力，MPa；φ為煤體的內(nèi)摩擦角，°；ξ=1+sinφ/1-sinφ；γ 為上覆巖層的平均容重，kN/m3;φf為底板巖層的內(nèi)摩擦角，°。根據(jù)23305工作面的具體地質(zhì)條件取 γ=25 kN/m3，H=410m，φ=20°，C=0.7MPa，φf=40°，將上述數(shù)據(jù)代入式（1）能夠得出底板巖體最大破壞深度距離工作面端的距離l1=9.9m，3#煤開采造成的底板破壞深度h0=11.9m，采空區(qū)內(nèi)底板破壞區(qū)沿水平方向的最大長(zhǎng)度l2=52.1m。

2）3#下煤層圍巖破壞程度分析。根據(jù)圍巖松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果可知，23305下工作面回風(fēng)巷松動(dòng)圈的厚度為2.5m，再結(jié)合3#煤層與3#下煤層間的平均間距為10m，上覆工作面底板破壞深度h0=11.9m知，巷道圍巖的松動(dòng)圈處于上部煤層采空區(qū)的破壞帶中，由于上覆煤層采空區(qū)底板破壞帶與巷道松動(dòng)圈完全重疊，致使兩煤層間的巖層受到上覆工作面開采破壞和下部巷道開挖破壞的疊加作用，使得巷道圍巖破碎嚴(yán)重。

3）支護(hù)參數(shù)的確定。根據(jù)上述分析結(jié)果知巷道松動(dòng)圈的厚度為2.5m，頂板巖層受到采動(dòng)和巷道掘進(jìn)的雙重破壞，破碎嚴(yán)重，根據(jù)相關(guān)研究可知該種情況下的支護(hù)方案應(yīng)運(yùn)用拱形支護(hù)，運(yùn)用組合拱理論對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過組合拱理論計(jì)算得出的結(jié)果與工作面的具體地質(zhì)情況相結(jié)合對(duì)回風(fēng)巷采用錨網(wǎng)索支護(hù)的各項(xiàng)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行確定。

頂板錨桿的直徑為Φ22mm，長(zhǎng)度為3000mm，頂板錨桿的間排距700×700mm，錨固長(zhǎng)度為1m，頂板錨索參數(shù)為Φ21.6mm×6000mm，間排距為2200×2200mm，靠近兩幫的錨桿向巷幫方向傾斜成10°安裝，其余錨桿垂直與巷道頂板打設(shè)，錨桿的錨固長(zhǎng)度為1.2m，錨桿的安裝預(yù)緊力大于300N.m，錨桿托盤采用拱形高強(qiáng)度托盤，同時(shí)采用規(guī)格為5.4m×2.3m，網(wǎng)孔規(guī)格為50×50mm的經(jīng)緯金屬網(wǎng)進(jìn)行護(hù)頂；錨索采用三花布置，每排打設(shè)2根錨索，錨索垂直與頂板打設(shè)巷道兩幫錨桿參數(shù)為Φ22mm×2500mm的1×19股的鋼絞線，錨桿的間排距為700×700mm，錨索的安裝預(yù)緊力為300kN，錨索采用一支MSK和兩支MSZ2360型樹脂型錨固劑對(duì)錨索進(jìn)行錨固，錨固長(zhǎng)度為2700mm，鋼筋梯子梁寬度為100mm，直徑Φ10mm，具體回風(fēng)巷斷面支護(hù)示意圖如圖3所示。

巷幫錨桿的間排距為700mm×700mm，錨桿直徑為20mm，長(zhǎng)度為3500mm，錨桿的型號(hào)為左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，巷道斷面內(nèi)每排安裝4根錨桿，靠近底板的錨桿向底板方向傾斜15°安裝，其余錨桿均垂直巷幫安裝，錨桿預(yù)緊力、錨固劑、托盤、金屬網(wǎng)及錨桿的錨固長(zhǎng)度與頂板參數(shù)相同。另外在巷道頂板及兩幫安裝由兩根直徑為16mm焊接成的鋼筋梯子梁，其長(zhǎng)×寬=4600×100mm，通過鋼筋梯子梁增加錨桿（索）間的軸向連接，23305下工作面回風(fēng)巷支護(hù)形式如圖3所示。

圖3 回風(fēng)巷支護(hù)形式斷面圖

3.2 效果分析

為對(duì)支護(hù)效果的合理性進(jìn)行有效驗(yàn)證，工作面回采期間在回風(fēng)巷不同位置處布置礦壓觀測(cè)站對(duì)巷道表面位移及錨桿的受力狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，在距離工作面煤壁前方185m的位置處布置1號(hào)測(cè)站，在距離工作面煤壁105m的位置處布置2號(hào)測(cè)站，在2個(gè)監(jiān)測(cè)站的位置處分別通過“十字布點(diǎn)法”進(jìn)行巷道表面位移的監(jiān)測(cè)，在錨桿（索）上安裝MJ-40錨桿測(cè)力計(jì)對(duì)錨桿、錨索的受力狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，巷道觀測(cè)斷面內(nèi)布置5個(gè)錨桿測(cè)力計(jì)，1個(gè)錨索測(cè)力計(jì)。

1）巷道表面位移。根據(jù)礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果能夠得出兩監(jiān)測(cè)站巷道表面位移規(guī)律如圖4所示。

圖4 巷道表面位移變化曲線

根據(jù)巷道表面位移的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，巷道兩個(gè)不同位置的測(cè)站基本呈現(xiàn)出一致的變化趨勢(shì)，1號(hào)測(cè)站均在0～14天內(nèi)巷道圍巖變形量較大，頂?shù)装遄畲笠平繛?0mm，兩幫最大移近量為65mm，頂?shù)装宓淖冃嗡俾蕿?.85mm/d，兩幫變形速率為4.64mm/d；2號(hào)測(cè)站的頂?shù)装遄畲笠平繛?2mm，兩幫最大移近量為68mm，頂?shù)装宓淖冃嗡俾蕿?mm/d，兩幫變形速率為4.86mm/d，在14～25天的時(shí)間內(nèi)2個(gè)測(cè)站巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平烤颈３址€(wěn)定，這即表明巷道圍巖已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，巷道頂?shù)装宓淖畲笠平繛?2mm，兩幫最大移近量為68mm，巷道圍巖變形量在現(xiàn)有支護(hù)方式下得到了有效控制。

2）錨桿（索）受力狀態(tài)。通過對(duì)巷道頂板錨（索）的受力狀態(tài)進(jìn)行持續(xù)25d的監(jiān)測(cè)，將所得數(shù)據(jù)繪制成曲線，如圖5所示。

圖5 工作面回采期間回風(fēng)巷錨桿（索）受力狀態(tài)

通過分析圖5可知，兩測(cè)站的錨桿（索）的受力狀態(tài)基本一致，在工作面推進(jìn)11d，頂板錨桿的受力狀態(tài)略有增幅，錨索的受力狀態(tài)呈現(xiàn)水平狀態(tài)，在11d～13d期間，錨桿（索）的受力狀態(tài)均以較平緩的趨勢(shì)上升，當(dāng)工作面推進(jìn)約13d時(shí)，巷道錨桿受力特征呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，但從總體看幫部錨桿的受力狀態(tài)較為平緩，頂板錨桿的最大受力為5MPa，幫部錨桿的最大受力為5.2MPa，錨索的最大受力為4.8MPa。故根據(jù)錨桿、錨索監(jiān)測(cè)期間的受力狀態(tài)可知，大部分錨桿、錨索的受力值均小于設(shè)定值，錨桿（索）處于穩(wěn)定狀態(tài)，故由此可知23305下工作面回風(fēng)巷設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)較為合理。

4 結(jié) 論

通過對(duì)23305下工作面回風(fēng)巷進(jìn)行圍巖松動(dòng)圈測(cè)試得知巷道圍巖松動(dòng)圈的厚度為2.5m，根據(jù)理論分析知3#煤開采造成的底板破壞深度h0=11.9m，基于此并結(jié)合具體地質(zhì)情況對(duì)回風(fēng)巷的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)知，巷道在現(xiàn)有支護(hù)方式下兩幫的移近量為68mm，頂?shù)装宓囊平繛?2mm，有效的控制了采空區(qū)下巷道圍巖的變形。