采空區(qū)下近距離動(dòng)壓巷道圍巖變形規(guī)律及支護(hù)研究

孫 鵬

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)公司霍爾辛赫煤業(yè)有限公司，山西 太原 046600）

1 工程概況

某礦為高瓦斯礦井，目前開(kāi)采的為10+11#煤層為簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)煤層。煤層傾角0～15°，平均5°，煤層厚度為6.55～8.06m，平均厚度約為7.52m，一般含夾矸兩層,煤層中下部夾矸厚度為0.1m,下部夾矸厚度0.05m，煤巖類型為半亮型～光亮型，可采長(zhǎng)度1007m，傾斜長(zhǎng)度160m。目前該礦正在進(jìn)行第六采區(qū)的回采工作，首采工作面6118綜放工作面目前處于回采階段，采區(qū)上部為大約9年前就已經(jīng)回采完畢的9#煤層，工作面與上層采空區(qū)距離約為4～5.6m，兩層煤之間有0.8m左右的泥巖夾矸，頂板為K2石灰?guī)r，性硬，厚層狀，方解石脈充填裂隙，泥質(zhì)含量較大，底板為遇水膨脹的鋁質(zhì)泥巖。工作面地表位于畢溝村以西南一帶，地形溝谷縱橫，蓋山厚度227～424m。地面標(biāo)高 1065～1255m，工作面標(biāo)高 798～826m，。6118 工作面位于井下五采區(qū)南部，東部為擴(kuò)區(qū)準(zhǔn)備大巷；南部、北部為實(shí)體煤田，西部與礦界相距20m。

由于9#煤層采動(dòng)的影響，第六采區(qū)巷道及工作面頂板條件較差，近距離沒(méi)有較為堅(jiān)硬、完整性較好的巖層，6118綜放工作面為第六采區(qū)的首采工作面，工作面的頂?shù)装鍑鷰r在上層煤炭的開(kāi)采影響下穩(wěn)定性大大降低，頂?shù)装鍑鷰r結(jié)構(gòu)及應(yīng)力分布于一般的工作面存在很大的差異，回采巷道錨桿支護(hù)的比例達(dá)到了95%，在巷道支護(hù)時(shí)局部出現(xiàn)錨索甚至出現(xiàn)了打穿的現(xiàn)象，在工作面回采的過(guò)程中，存在巷道變形嚴(yán)重，維護(hù)次數(shù)較多，支護(hù)成本增大等問(wèn)題，急需提出更為完善、更為具體、更為合理的巷道支護(hù)方案解決此類問(wèn)題[1～2]。

2 巷道原有支護(hù)方案分析

圖1 原有支護(hù)方案圖

該礦運(yùn)輸巷和軌道巷采用典型的錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，如圖1所示，詳細(xì)的參數(shù)如下：

1）巷道頂板支護(hù)：錨桿采用Ф22×2200mm螺紋鋼，間排距分別為780mm、800mm，靠近巷幫的兩排錨桿向巷道外側(cè)傾斜，與豎直方向上夾角為15°，巷道頂板中部?jī)膳佩^桿沿垂直方向鉆進(jìn)，錨固方式為兩端錨固，孔底和孔口位置分別用一支CK2355、K2355錨固劑。錨桿之間通過(guò)W鋼帶聯(lián)結(jié)為一個(gè)整體，鋼帶尺寸為4200×210×3mm，錨索采用“三花”布置方式單獨(dú)布置，直徑為21.6mm，長(zhǎng)度為4.2m，間距為0.8m，每排之間間隔為2.34m。

2）巷道兩幫支護(hù)：錨桿采用直徑16mm，長(zhǎng)度1800mm的圓鋼錨桿，三根為一排，最上方的錨桿距離巷道頂板0.5m，錨桿間排距分別為900、800mm。錨固劑使用方式與頂板錨桿相同，錨桿之間同樣通過(guò)型號(hào)的W型鋼帶聯(lián)結(jié)。

為了研究巷道受采動(dòng)壓力影響的情況，了解巷道在工作面回采過(guò)程中的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，對(duì)現(xiàn)在的支護(hù)體系進(jìn)行效果分析，掌握現(xiàn)有方法的優(yōu)缺點(diǎn)，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)6118綜放工作面的材料巷在工作面回采期間進(jìn)行礦壓觀測(cè)，6118工作面地質(zhì)條件的詳細(xì)情況見(jiàn)圖2。

圖2 6118綜放工作面地質(zhì)條件示意圖

圖3 巷道圍巖變形情況

在超前回采工作面120m處材料巷內(nèi)布置圍巖位移觀測(cè)站，將得到的數(shù)據(jù)匯制成與工作面距離相關(guān)的變化曲線，如圖3所示，由圖可知，在工作面與巷道距離較遠(yuǎn)時(shí)，巷道圍巖變形量較小，圍巖較穩(wěn)定，當(dāng)工作面與測(cè)站的距離小于80m時(shí)，巷道頂板下沉量及兩幫的移進(jìn)量逐漸增大，并且頂板的下沉量略大于兩幫的移進(jìn)量，隨著工作面的回采，該階段巷道頂板下沉量略大于兩幫移進(jìn)量，變化趨勢(shì)基本相同；在進(jìn)入距離回采工作面20m范圍內(nèi)后，兩幫的移進(jìn)量迅速增加，說(shuō)明在工作面回采的整個(gè)過(guò)程中，雖然前期頂板的變形量較大，但是當(dāng)進(jìn)入到工作面回采影響劇烈區(qū)后，兩幫的變形增長(zhǎng)速度更大，采動(dòng)對(duì)于兩幫收斂的影響更加明顯。由于工作面回采過(guò)程中，材料巷圍巖變形量過(guò)大，影響正常的生產(chǎn)作業(yè)，需要考慮調(diào)整支護(hù)體系的參數(shù)、結(jié)構(gòu)，以尋求更好的巷道圍巖控制效果，對(duì)于材料巷這種圍巖變形破壞特征，應(yīng)首先考慮加強(qiáng)幫部支護(hù)，。

3 支護(hù)設(shè)計(jì)理論分析

該礦的回采工作面位于采空區(qū)下方，與上層采空區(qū)間距為4～5.6m之間，屬于極近距離煤層，雖然煤層老頂為堅(jiān)硬的K2灰?guī)r，但是由于9#煤層的采動(dòng)影響，基本喪失了完整性和穩(wěn)定性，導(dǎo)致在上覆巖層一定范圍內(nèi)沒(méi)有堅(jiān)硬完整的老頂，因此在進(jìn)行支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)時(shí)，不能選用傳統(tǒng)的組合梁和懸吊理論，應(yīng)當(dāng)采用加固拱理論[3～4]。

1）錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)。錨桿長(zhǎng)度：

式中：N為巷道周圍巖體穩(wěn)定系數(shù)，1.0～1.3，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況取1.2；B為巷道寬度，4.5m；

將6118工作面準(zhǔn)備巷道參數(shù)帶入上式可知，錨桿長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)大于1.86m。錨桿間排距應(yīng)當(dāng)小于其長(zhǎng)度的一半，即小于0.93m。

錨桿直徑：

錨桿長(zhǎng)度L應(yīng)大于1.86m，所以由式（2）可得錨桿直徑應(yīng)不小于16.9mm。原有支護(hù)方案，錨桿采用直徑16mm，長(zhǎng)度1800mm的圓鋼錨桿，其長(zhǎng)度及直徑均小于理論要求。

2）錨索參數(shù)。錨索的錨固長(zhǎng)度：

式中：k為安全系數(shù)，取 2；d1為直徑，21.6mm；fs為單軸抗拉強(qiáng)度，1860MPa；fc為粘結(jié)強(qiáng)度，參考采用樹(shù)脂錨固劑約為10.0MPa。

計(jì)算結(jié)果為2008.8mm。錨索總長(zhǎng)度：

其中：L為錨索總長(zhǎng)度，單位：m；La為錨固長(zhǎng)度，經(jīng)過(guò)計(jì)算為 2009mm；Lb為不穩(wěn)定巖層厚度，取4.28m；Lc為錨具總厚度，取0.1m；Ld—外露長(zhǎng)度，取0.2m；

將以上數(shù)據(jù)帶入計(jì)算結(jié)果為6128.8mm。通過(guò)相關(guān)的理論計(jì)算得知錨索的長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)大于6128.8mm，間排距小于2756mm，但是由于頂板為9#煤層采空區(qū)，近距離內(nèi)沒(méi)有穩(wěn)定性較好的老頂，導(dǎo)致長(zhǎng)錨索沒(méi)有辦法實(shí)施，根據(jù)相關(guān)的工程經(jīng)驗(yàn)，錨索仍然采用原本的型號(hào)。

經(jīng)過(guò)以上的理論分析及礦壓觀測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)該礦原有的支護(hù)方案存在的問(wèn)題主要表現(xiàn)為：巷道兩幫的支護(hù)強(qiáng)度不足，錨桿的型號(hào)不滿足加固拱理論的要求，工作面上方為9#煤層采空區(qū)，一定距離內(nèi)沒(méi)有穩(wěn)定的老頂，采用的錨索起不到懸吊的作用，單獨(dú)打設(shè)支護(hù)的效果不明顯，并且布置方式“三花”布置存在一定的浪費(fèi)。因此依據(jù)著“強(qiáng)幫強(qiáng)角”的支護(hù)理念進(jìn)行優(yōu)化，選擇更為合理的幫部錨桿型號(hào)，優(yōu)化巷道角部錨桿的布置，并且改進(jìn)頂板錨索的布置方式。

4 支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

1）巷道兩幫支護(hù)的加強(qiáng)。根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果可知，原有支護(hù)方案中幫部支護(hù)的錨桿長(zhǎng)度和直徑均不滿足要求，因此將原有的Ф16×1800mm圓鋼錨桿改為Ф20×2200mm螺紋鋼錨桿，為了提高巷道頂角的穩(wěn)定性，將距頂板最近的幫錨桿向上傾斜15°。并且在幫部增設(shè)錨索，錨索規(guī)格與頂板相同為Ф21.6×4200mm，考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工的因素，將錨索布置在原來(lái)中間錨桿的位置，取代原來(lái)的錨桿，沒(méi)四排錨桿替換一次，將原有的鋼帶托板替換為2100×275×3mm的W型鋼帶。

2）頂板支護(hù)的調(diào)整。巷道上方近距離巖層沒(méi)有穩(wěn)定性、完整性較好的老頂，因此長(zhǎng)錨索根本起不到懸吊作用，原本單獨(dú)布置的錨索支護(hù)的意義不大，因此將短錨索的布置方式改為“二二”布置，利用錨索替換兩側(cè)距離巷幫的第二根錨桿，通過(guò)W型鋼帶將錨桿錨索聯(lián)結(jié)為一個(gè)整體，錨桿采用Ф20×2200mm螺紋鋼加強(qiáng)錨桿。

3）間排距的調(diào)整。為了更合理的利用支護(hù)材料，節(jié)約生產(chǎn)成本，在滿足加固拱理論的基礎(chǔ)上結(jié)合相關(guān)的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，決定將巷道頂板及兩幫的錨桿排距由0.8m增加到0.9m，頂板錨索排距由1.6m增加到1.8m，巷幫錨索排距也由3.2m增加到3.6m，錨桿間距未進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化后的支護(hù)體系如圖4所示。

對(duì)原支護(hù)和優(yōu)化后的支護(hù)體系材料用進(jìn)行計(jì)算可知，優(yōu)化后的方案錨桿消耗量為63.8kg/延米，錨索消耗量為7m/延米，與原支護(hù)方案相比錨桿用量降低了0.76kg/延米，錨索消耗量減少了0.87m/延米，可知通過(guò)優(yōu)化支護(hù)方案，可以減少一定的生產(chǎn)成本，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖4 優(yōu)化后支護(hù)方案示意圖

5 效果分析

為了考察改進(jìn)后支護(hù)體系的支護(hù)效果，應(yīng)用FLAC3d數(shù)值模擬軟件分別模擬不同支護(hù)條件下，工作面回采時(shí)巷道圍巖的變形破壞，從模擬結(jié)果中調(diào)出原支護(hù)方案和改進(jìn)后支護(hù)方案的塑性區(qū)分布圖，如圖5所示，工作面回采結(jié)束后的巷道塑性區(qū)分布，斷面位于距離工作面15m處，即從巷道口向內(nèi)5m處。

圖5 巷道塑性區(qū)對(duì)比圖

由圖5可以看出，在增強(qiáng)幫部支護(hù)強(qiáng)度后，優(yōu)化方案幫部塑性區(qū)的分布范圍明顯減小，說(shuō)明兩幫的圍巖穩(wěn)定性得到明顯的增強(qiáng)，通過(guò)兩種情況下頂?shù)装逅苄詤^(qū)的發(fā)育情況，可以看出巷道頂?shù)装鍑鷰r穩(wěn)定性也有較大程度的提升。

6 結(jié) 論

通過(guò)礦壓觀測(cè)、理論計(jì)算得知，6118工作面回采過(guò)程中由于動(dòng)壓的影響巷道變形量過(guò)大主要原因?yàn)閹筒恐ёo(hù)錨桿強(qiáng)度不足，頂板錨索布置不合理，依據(jù)“強(qiáng)幫強(qiáng)角”的支護(hù)理念，對(duì)原有支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)數(shù)值模擬證明巷道圍巖的穩(wěn)定性得到很大提高，提出了解決巷道圍巖變形量過(guò)大的可靠方法。