近層間距、多煤柱條件下采空區(qū)底板巷道聯(lián)合支護技術(shù)研究

侯殿坤，金慧龍,2，卜慶為

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.中國華能集團有限公司 青海分公司，青海 西寧 810001）

井工煤炭資源開采遇近距離多煤層開采工程條件較為普遍，上覆煤層采空區(qū)對下方所布置的回采巷道支護穩(wěn)定造成復(fù)雜采動影響。針對這一工程問題，諸多學(xué)者[1-12]從采空區(qū)底板的采動應(yīng)力分布規(guī)律、底板巷道受力破壞特征、底板巷道采動失穩(wěn)因素分析等方面展開科學(xué)研究與技術(shù)分析，并得到了諸多有價值的科研成果。但針對近層間距、多煤柱條件下采空區(qū)底板的應(yīng)力分布特征差異較大，這導(dǎo)致采空區(qū)底板巷道圍巖的受力破壞差異明顯，并且其支護控制對策往往無法滿足整個巷道的支護需要，因此開展近層間距、多煤柱條件下采空區(qū)底板巷道的受力破壞特征分析與支護技術(shù)研究具有顯著的工程意義。

1 概 況

忻州窯煤礦為立井石門盤區(qū)開拓方式，主要開采二水平的11 號、12 號、14 號3 個煤層，采煤工作面為單一走向長壁，綜合機械化采煤工藝，采掘機械化程度達100%。其中，井田內(nèi)14-2 號煤層厚度為0.8～3.7 m，平均1.53 m，西二盤區(qū)14-2號煤層內(nèi)掘進3 條集中巷道。在14-2 號煤層之上13 m 位置為11 號煤層采空區(qū)，11 號煤層采用放頂煤工藝開采，并遺留由5 個上覆11 號煤層采空區(qū)隔離煤柱，巷道走向與11 號煤層采空區(qū)和煤柱呈斜交關(guān)系，如圖1 所示。通過現(xiàn)場調(diào)研及其工程分析得出，由于西盤區(qū)14-2 號煤層集中巷上方存在11 號煤層多個采空區(qū)及其煤柱，相對一般巷道圍巖而言，其近層間距、多煤柱條件下采空區(qū)底板采動應(yīng)力環(huán)境的巷道圍巖受力破壞情況尤為復(fù)雜，特別是在上覆11 號煤層采空區(qū)遺留煤柱對其下方巷道支護穩(wěn)定必定會造成嚴重影響。如何合理設(shè)計14-2 號煤層集中巷支護技術(shù)方案，這對忻州窯煤礦14-2 號煤層的安全回采至關(guān)重要。

圖1 西二盤區(qū)14- 2 號煤層集中巷布置與上覆11 號煤層采空區(qū)、煤柱的平面位置關(guān)系Fig.1 Relation between No.14-2 coal seam centralized roadway and No.11 coal seam upper goaf and coal pillar

2 近層間距、多煤柱條件下采空區(qū)底板巷道采動影響特征分析

以忻州窯煤礦14-2 號煤層集中巷為工程背景，對近層間距、多煤柱條件下采空區(qū)底板巷道采動影響及其巷道圍巖受力破壞特征進行數(shù)值模擬，如圖2 所示。

圖2 數(shù)值計算模型Fig.2 Numerical calculation model

近層間距、多煤柱條件下采空區(qū)底板采動應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，這導(dǎo)致巷道掘進需要穿過煤柱下方的采動應(yīng)力集中區(qū)和采空區(qū)下方的采動應(yīng)力降低區(qū)，二者的交替分布導(dǎo)致巷道不同部位的礦壓顯現(xiàn)特征差異明顯。因此需要對煤柱下方的采動應(yīng)力集中區(qū)和采空區(qū)下方的采動應(yīng)力降低區(qū)的巷道采動破壞影響進行分開研究。如圖3 ～圖4 所示。

圖3 上覆11 號煤層采空區(qū)底板下方13 m位置的底板應(yīng)力分布特征Fig.3 Floor stress distribution at 13 m under the goaf floor of No.11 overlying coal seam

如圖4（a） ～圖6（a） 所示，在采空區(qū)煤柱下方的采動應(yīng)力集中區(qū)，巷道所處的圍巖應(yīng)力環(huán)境尤為嚴重，這導(dǎo)致巷道圍巖總體的礦壓顯現(xiàn)嚴重，而且水平應(yīng)力明顯低于垂直應(yīng)力，因此巷道的巷幫圍巖受力負擔(dān)嚴重。如圖4（b） ～圖6（b）所示，在采空區(qū)下方的采動應(yīng)力降低區(qū)，巷道所處的圍巖應(yīng)力環(huán)境相對較弱，巷道圍巖總體的礦壓顯現(xiàn)相對采空區(qū)煤柱下方的采動應(yīng)力集中區(qū)情況較輕，并且水平應(yīng)力高于垂直應(yīng)力，此時受力負擔(dān)相對較大的部位主要是巷道的頂?shù)装?。由于采空區(qū)底板的采動應(yīng)力復(fù)雜影響，近層間距、多煤柱條件下采空區(qū)底板巷道的頂板圍巖破壞普遍存在與上覆采空區(qū)的底板采動破壞貫通的情況。從支護方面來看，這就利于錨桿、錨索等主動支護作用發(fā)揮效果，因此有必要考慮被動支護來實現(xiàn)對巷道頂板的穩(wěn)定性控制。

圖4 上覆11 號煤層采空區(qū)底板下方巷道圍巖垂直應(yīng)力分布特征Fig.4 Vertical stress distribution characteristics of roadway surrounding rock under goaf floor of overlying No.11 coal seam

圖5 上覆11 號煤層采空區(qū)底板下方巷道圍巖水平應(yīng)力分布特征Fig.5 Horizontal stress distribution characteristics of roadway surrounding rock under goaf floor of overlying No.11 coal seam

圖6 上覆11 號煤層采空區(qū)底板下方巷道圍巖受力破壞特征Fig.6 Stress failure characteristics of surrounding rock under goaf floor of overlying No.11 coal seam

3 近層間距、多煤柱條件下采空區(qū)底板巷道圍巖控制對策研究

考慮到采空區(qū)底板的采動應(yīng)力復(fù)雜影響，加之采空區(qū)底板巷道的頂板圍巖破壞普遍存在與上覆采空區(qū)的底板采動破壞貫通，而且采空區(qū)底板巷道的淺部松動圍巖存在冒落和片幫等情況，加劇巷道斷面的擴大，進而導(dǎo)致巷道礦壓顯現(xiàn)加?。灰虼隋^桿、錨索的主動支護作用效果尚且對近層間距、多煤柱條件下采空區(qū)底板14-2 號煤層集中巷圍巖控制作用有限，金屬支架被動支護則是關(guān)鍵支護結(jié)構(gòu)，可在矩形集中巷掘進后進行壁后充填并布置金屬支架支護，并采取雙層金屬網(wǎng)布置，以提高對巷道表面破碎圍巖松動圍巖的約束作用。結(jié)合以上研究分析，提出西二盤區(qū)14-2 號煤層集中巷“錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+木垛壁后充填+U 型鋼支架”的主被動聯(lián)合支護技術(shù)方案，聯(lián)合支護技術(shù)方案具體布置及其參數(shù)如下。

圖7 14- 2 號煤層集中巷支護方案斷面Fig.7 Section of support scheme for No.14-2 coal seam concentrated roadway

西二盤區(qū)14-2 號煤層集中軌道巷斷面為矩形4.2 m×3.2 m（寬×高）。正巷頂板采用鋼帶、5 排錨桿和2 排錨索聯(lián)合支護。鋼帶采用5 孔“W”型鋼帶，規(guī)格3 800 mm×220 mm×4 mm（長×寬×厚），鋼帶下采用110 mm×110 mm×10 mm（長×寬×厚） 鋼方墊。錨桿采用左旋無縱筋螺紋錨桿，規(guī)格為φ=20 mm，L=2 000 mm。排距800 mm，間距為1 000 mm。錨索采用φ=17.8 mm 鋼絞線，長度≥5.3 m；錨索幫距1.3 m，排距1.4 m，施工2排，間距3.0 m。巷道金屬網(wǎng)規(guī)格為3.7 m×1.7 m（長×寬）。礦用U29 型鋼金屬支架支護以加強支護，架間距800 mm，架棚斷面為三心拱型，壁后采取木垛充填。支護方案斷面如圖7 所示，模擬斷面如圖8 所示。

圖8 14- 2 號煤層集中巷支護方案模擬斷面Fig.8 Simulated section of support scheme for No.14-2 coal seam concentrated roadway

4 忻州窯煤礦西二盤區(qū)14-2 號煤層集中巷支護穩(wěn)定性評價分析

4.1 支護效果數(shù)值模擬分析

通過數(shù)值模擬對聯(lián)合支護方案下采空區(qū)底板巷道支護穩(wěn)定性及效果進行評價，如圖9 ～圖11 所示。在采取聯(lián)合支護技術(shù)的情況下，14-2 號煤層集中巷的錨桿軸向拉拔強度150 ～186 MPa，錨索軸向拉拔強度260 ～326 MPa，金屬支架構(gòu)件軸向壓縮強度在24 ～205.4 MPa，其中在采空區(qū)煤柱下方及其附近位置14-2 號煤層集中巷的支護構(gòu)件承載負擔(dān)相對嚴重，而在采空區(qū)下方14-2 號煤層集中巷相對較輕。如此看來，在采空區(qū)煤柱下方及其附近位置的巷道圍巖受力狀態(tài)相對嚴重很多，因此需要重視對在采空區(qū)煤柱下方及其附近位置的巷道變形監(jiān)測，必要時采取補強支護，確保巷道安全使用。

圖9 聯(lián)合支護方案作用下的采空區(qū)底板下方巷道錨桿軸向拉拔強度分布Fig.9 Axial tensile strength distribution of bolts in roadway under goaf floor with combined support scheme

圖10 聯(lián)合支護方案作用下的采空區(qū)底板下方巷道錨索軸向拉拔強度分布Fig.10 Axial tensile strength distribution of roadway anchor cable under goaf floor with combined support scheme

圖11 聯(lián)合支護方案作用下的采空區(qū)底板下方巷道金屬支架構(gòu)件承載強度分布Fig.11 Bearing strength distribution of metal support components in roadway under goaf floor with combined support scheme

對14-2 號煤層集中巷采取主被動聯(lián)合支護技術(shù)措施后，在采空區(qū)煤柱下方位置的巷道圍巖垂直變形量為頂板57 mm，底板59.5 mm，巷幫水平移近變形量為83 mm；在采空區(qū)下方位置的巷道圍巖垂直變形量為頂板8 mm，底板10.4 mm，巷幫水平移近變形量為35 mm。綜合分析得出，錨桿錨索主動支護對近距離、多煤柱條件下的巷道圍巖變形控制穩(wěn)定作用效果有限，其中被動支護通過較大剛度的支承和約束，進而實現(xiàn)對巷道圍巖的變形控制；但同時錨桿錨索主動支護通過對巷道破壞圍巖的錨固和懸吊作用，輔助起到強化破碎圍巖的承載作用，進而與被動支護共同對采空區(qū)底板巷道圍巖控制穩(wěn)定發(fā)揮作用。采空區(qū)底板下方巷道圍巖垂直位移分布、水平位移分布如圖12 ～圖13 所示。

圖12 聯(lián)合支護方案作用下的采空區(qū)底板下方巷道圍巖垂直位移分布Fig.12 Vertical displacement distribution of surrounding rock under goaf floor with combined support scheme

圖13 聯(lián)合支護方案作用下的采空區(qū)底板下方巷道圍巖水平位移分布Fig.13 Horizontal displacement distribution of surrounding rock of roadway under goaf floor with combined support scheme

4.2 工業(yè)實踐支護效果反饋分析

如圖14 所示，現(xiàn)場采取十字布點法對巷道圍巖的變形情況進行觀測，在采空區(qū)煤柱下方位置的巷道圍巖頂?shù)装宓囊平冃瘟繛?80 ～240 mm，兩幫移近量為80 ～100 mm，在采空區(qū)下方位置的巷道圍巖頂?shù)装宓囊平冃瘟繛?0 ～23 mm，兩幫移近量為18 ～20 mm。工業(yè)實踐支護效果反饋認為，主被動支護具有較大剛度的支承和約束，進而實現(xiàn)對巷道圍巖的變形控制同時起到了對巷道破壞圍巖的強化承載效果，實現(xiàn)了對近距離、多煤柱條件下的西二盤區(qū)14-2 號煤層集中巷圍巖穩(wěn)定性控制作用，西二盤區(qū)14-2 號煤層3 條集中巷的支護控制效果較好，達到了預(yù)期使用要求。

圖14 聯(lián)合支護方案作用下的采空區(qū)底板下方巷道圍巖變形監(jiān)測Fig.14 Surrounding rock deformation monitoring of roadway under goaf floor with combined support scheme

5 結(jié) 論

（1） 近層間距、多煤柱條件下采空區(qū)底板應(yīng)力環(huán)境大致分為2 類，即采空區(qū)煤柱下方的采動應(yīng)力集中區(qū)和采空區(qū)下方的采動應(yīng)力降低區(qū)，且二者交替分布，不同部位的不同地應(yīng)力環(huán)境導(dǎo)致巷道礦壓顯現(xiàn)特征存在差異明顯。

（2） 在采空區(qū)煤柱下方的采動應(yīng)力集中區(qū)，水平應(yīng)力明顯低于垂直應(yīng)力，但總體應(yīng)力環(huán)境相對很高，這導(dǎo)致巷道圍巖受力破壞程度相對嚴重，在采空區(qū)下方的采動應(yīng)力降低區(qū)，水平應(yīng)力高于垂直應(yīng)力，但總體地應(yīng)力環(huán)境相對較低，巷道圍巖受力破壞程度相對較輕。

（3） 由于巷道布置距離上覆采空區(qū)底板較近，上覆采空區(qū)的底板采動破壞在巷道圍巖應(yīng)力重分布的影響與近距離的巷道頂板破壞存在貫通，這不利于巷道頂板圍巖的主動支護作用，因此被動支護相對主動支護的作用更為有效。

（4） 提出西二盤區(qū)14-2 號煤層集中巷“錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+木垛壁后充填+U 型鋼支架”的主被動聯(lián)合支護技術(shù)方案；工業(yè)實踐支護效果反饋表明，主被動聯(lián)合支護的圍巖穩(wěn)定性控制較好，達到了預(yù)期使用要求。