近距離采空區(qū)下回采巷道錨網(wǎng)索支護技術(shù)

熊祥林，陳朋磊

(1.平煤股份四礦，河南 平頂山 467000； 2.河南省煤炭科學(xué)研究院有限公司，河南 鄭州 450001)

近距離煤層開采時，往往采用下行開采的方法，進而導(dǎo)致下位煤層開采時因受上位煤層重復(fù)采動使得頂板破碎不穩(wěn)定[1-3]。此外，近距離煤層下位煤層開采時，因受到上位煤層遺留煤柱以及工作面采動影響，下位煤層巷道在全生命周期中會受到強礦壓的影響進而產(chǎn)生難支護、大變形的問題[4-6]。大埋深、高應(yīng)力近距離下位煤層開采時，強礦壓現(xiàn)象更加突出，雖然相關(guān)學(xué)者已經(jīng)進行了大量的研究，然而目前近距離下位煤層仍以小距離內(nèi)錯上位煤層煤柱為主，巷道因高應(yīng)力導(dǎo)致的大變形現(xiàn)象不能較好改善。因此近距離下位煤層巷道合理布置、圍巖穩(wěn)定性控制機理等方面的技術(shù)難題亟待解決。

近距離煤層開采與單一煤層開采在覆巖結(jié)構(gòu)、應(yīng)力傳播等方面有著較大的區(qū)別[7-8]，目前近距離煤層開采方面還未形成系統(tǒng)的理論，需要進一步深入研究。張杰[9]針對近距離煤層開采過程中容易產(chǎn)生漏頂問題，以311盤區(qū)11-2號層工作面為研究對象，改善了工作面布置方式、巷道支護技術(shù)，并提出了相關(guān)的回采工藝與頂板控制方法。慈忠貞等[10]以實現(xiàn)某礦近距離煤層安全高效開采為目標(biāo)，針對不同煤層間配采問題，結(jié)合礦井單翼采區(qū)準(zhǔn)備方式，提出了近距離煤層協(xié)同開采的多種配套技術(shù)，緩解了采掘接替緊張及采動影響程度。張鐵剛[11]針對極近距離煤層群空區(qū)下開采的問題，提出了應(yīng)力改變率概念，并將其作為判斷下煤層回采巷合理位置的指標(biāo)，明確了不同地質(zhì)條件下巷道斷面形狀及支護方式對巷道維護的影響，并以西曲礦為基礎(chǔ)，采用數(shù)值模擬得到了合理的巷道布置方式及支護方式。陳喜[12]從定性和定量角度對極近距離煤層進行定義，結(jié)合現(xiàn)場實際應(yīng)用，分析了下位煤層開采期間礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及覆巖結(jié)構(gòu)和頂板穩(wěn)定性特征，并將其應(yīng)用至下位煤層的安全開采。安平華[13]針對煤峪口礦遺留煤柱下方回采時的強動壓問題，采用數(shù)值模擬及現(xiàn)場實測的方法，研究了上位煤層中遺留煤柱應(yīng)力及煤柱底板應(yīng)力傳播規(guī)律。

本文采用數(shù)值計算的方法對己16-17-31020工作面運輸巷的不同支護參數(shù)的控制效果進行模擬分析，結(jié)合巷道的實際生產(chǎn)條件，最終明確了巷道的支護參數(shù)。

1 工程概況

圖1 巷道空間位置關(guān)系Fig.1 Roadway spatial position relationship

2 巷道控制原則與技術(shù)

2.1 巷道控制原則

基于深部近距離下位煤層巷道的受力與變形特征，提倡遵循以下巷道支護原則[14]。

(1)支護方式應(yīng)適應(yīng)深部近距離下位煤層埋深大、高應(yīng)力及破碎圍巖的特殊地質(zhì)條件，確?！爸ёo體—圍巖”結(jié)構(gòu)的完整性，防止圍巖出現(xiàn)大面積破碎失穩(wěn)。首要考慮的是具備抵抗高應(yīng)力、能夠大變形的支護構(gòu)件，其次需要支護結(jié)構(gòu)的強度、變形極限與圍巖相適應(yīng)，為“適應(yīng)性原則”。

(2)選取支護結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù)時，需要將其與巷道圍巖當(dāng)作一個整體，從而使得支護體與圍巖能夠產(chǎn)生同步的變形與提供承載力，進而確保巷道的整體穩(wěn)定性，為“整體性原則”。

(3)巷道形狀、巖層性質(zhì)、受力環(huán)境不同均會巷道產(chǎn)生不同的影響，進而產(chǎn)生容易變形失穩(wěn)的關(guān)鍵部位。因此，在選擇支護方案之前需要把該影響因素考慮在內(nèi)，找出相應(yīng)的薄弱部位，進行特殊加強支護，為“關(guān)鍵部位加強支護原則”。

(4)深部近距離下位煤層巷道在全生命周期中極大可能出現(xiàn)圍巖大變形，既要考慮相關(guān)的加固技術(shù)，也要考慮對巷道預(yù)留一定能力的變形量，為“預(yù)留變形原則”。

2.2 巷道控制技術(shù)

深部近距離下位煤層巷道的控制技術(shù)主要包含以下幾點。

(1)巖體加固技術(shù)。深部巷道穩(wěn)定過程中圍巖是主要的支護承載結(jié)構(gòu)，由于深部巷道應(yīng)力高等原因，只有有效提高圍巖的自身承載能力才可以保證其穩(wěn)定性。而采用巖體加固技術(shù)，如錨桿、錨索和注漿技術(shù)能夠有效提高圍巖自身的承載力，進而更好地保證煤炭安全高效開采。

“累肯定很累，說實話，我們剛開始做這個行業(yè)都是對酒的熱愛，對不對？但，酒真的是我唯一認(rèn)真學(xué)過的東西，可以說是我生命中除了人以外最重要的東西。除了家人和朋友最重要的東西，那么努力想去學(xué)得更多，天天在看書，天天去品酒，那真是為了（對）葡萄酒的熱愛。但你說做到這個階段，這種熱愛很多時候已經(jīng)被現(xiàn)在的勞累、責(zé)任和工作消磨光了。不能說我現(xiàn)在比以前更安心了，不可能！是因為怕辜負(fù)別人而支撐下去，有很多東西都是工作、責(zé)任?！?/p>

(2)聯(lián)合支護技術(shù)。巖體加固與巖體支護技術(shù)各自具有獨特的適應(yīng)性和優(yōu)點，對于復(fù)雜條件下巷道往往采用“錨噴、錨索、錨注相結(jié)合”為主、被動支護為輔的支護技術(shù)能夠取得很好的效果，這種巖體加固與巖體支護技術(shù)一起聯(lián)合使用的技術(shù)稱為“聯(lián)合支護技術(shù)”。

基于己16-17-31020工作面運輸巷的生產(chǎn)條件、控制技術(shù)的適用性與優(yōu)缺點，本文認(rèn)為以錨網(wǎng)索為主的巖體加固技術(shù)能夠有效解決高應(yīng)力、受重復(fù)采動影響大家近距離下位煤層巷道的大變形問題。

2.3 錨網(wǎng)索控制機理

錨網(wǎng)索支護技術(shù)作為主動支護，可以在支護初期提供一定的初撐力，使得巷道圍巖三向受力，提高圍巖自身的強度，從而達(dá)到穩(wěn)定控制的目的。而近距離煤層下位巷道因受到上位煤層采動影響，表現(xiàn)出頂板破碎、強礦壓、大變形等現(xiàn)象，錨網(wǎng)索支護能夠?qū)鷰r結(jié)構(gòu)面離層等起到抑制作用，能夠較好地控制該類巷道的穩(wěn)定。錨網(wǎng)索支護的支護機理主要體現(xiàn)在以下幾點。

(1)錨桿支護能夠有效控制圍巖的離層、新裂紋產(chǎn)生等破壞，保證圍巖完整性，使其成為主要承載體。錨桿與圍巖共同組成承載結(jié)構(gòu)，抑制承載結(jié)構(gòu)外巖層離層，優(yōu)化圍巖的應(yīng)力分布。

(2)錨桿預(yù)緊力在巷道支護中具有重要的作用，與托盤、鋼帶、金屬網(wǎng)等結(jié)合能夠使得預(yù)緊力作用到更大范圍的圍巖中，錨桿預(yù)緊力施加越大、越及時，錨桿的支護系統(tǒng)剛度就越大，圍巖強度就越高。

(3)錨索的控制作用主要體現(xiàn)在2個方面。①將錨索與深部圍巖組成一個整體，提高圍巖穩(wěn)定性；②錨索能夠為圍巖提供較大的預(yù)緊力，與錨桿共同構(gòu)成骨架結(jié)構(gòu)，保證圍巖穩(wěn)定。

3 圍巖控制模擬分析

己16-17-31020工作面運輸巷位于采空區(qū)下方，巷道圍巖應(yīng)力復(fù)雜且破碎。因此，提出3種支護方案，并采用數(shù)值模擬分析不同支護方式下巷道圍巖應(yīng)力及變形分布特征，最終確定己16-17-31020工作面運輸巷合理支護方案。

3.1 模型建立及模型方案

(1)幾何模型。以平頂山某礦己16-17-31020工作面運輸巷的工程實際條件為原型，采用FLAC3D建立如下數(shù)值模擬(圖2)，模型長410 m，寬300 m，高120 m，對研究的巷道周圍進行加密處理，模型共劃分330 786個節(jié)點，287 000個單元，模型四周限制水平位移，底部采用固支約束，上部施加21.55 MPa垂直應(yīng)力代替模型頂部上覆巖層，模型采用摩爾—庫侖本構(gòu)模型進行計算。模型中部剖面如圖2所示，圖2顯示了己16-17-31020工作面和己15煤層工作面之間的空間關(guān)系。

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

(2)邊界條件。己15煤層與己16煤層研究區(qū)域工作面已經(jīng)確定，模型變量為巷道外錯距離，各方案邊界條件一致。其中，己15煤層煤厚1.5 m，己16-17煤層煤厚3.6 m，己16-17-31020工作面覆巖厚度為770～980 m，于模型上部邊界施加覆巖應(yīng)力19.40 MPa，側(cè)面施加水平應(yīng)力為6.47 MPa。

(3)材料本構(gòu)及物理力學(xué)參數(shù)。煤巖層所用本構(gòu)模型為摩爾—庫侖模型。

(4)取己15煤與己16-17煤層最小間距8 m，結(jié)合礦方施工方案，下位煤層巷道確定采用外錯式布置，且錯距為25 m，現(xiàn)提出以下3種巷道支護方案，3種方案均為錨桿索支護，具體方案見表1，各方案對應(yīng)模型如圖3所示。

表1 不同支護模擬方案Tab.1 Different support simulation schemes

(5)下位煤層巷道應(yīng)力及位移測點布置。為研究巷道受采動影響，于巷道周圍布置4條應(yīng)力監(jiān)測線和4條圍巖變形監(jiān)測線，如圖4所示。

圖3 數(shù)值模擬各方案模型Fig.3 Numerical simulation of each scheme model

圖4 巷道圍巖測點布置Fig.4 Layout of measuring points for roadway surrounding rock

3.2 模擬結(jié)果分析

(1)巷道圍巖應(yīng)力變化規(guī)律。對己15-31020工作面運輸巷掘進后下位煤層巷道頂?shù)装宕怪睉?yīng)力及兩幫水平應(yīng)力進行監(jiān)測，不同支護方案下巷道圍巖垂直應(yīng)力分布特征如圖5所示。

圖5 不同支護條件下巷道圍巖垂直應(yīng)力分布Fig.5 Vertical stress distribution of roadway surrounding rock under different supporting schemes

由圖5可知，不同支護方案下巷道圍巖水平應(yīng)力分布特征不同，其中方案1、方案2、方案3支護方式下巷道表面最大垂直應(yīng)力分別為7.61、7.67、9.03 MPa，即支護方案1垂直應(yīng)力最小、支護方案3垂直應(yīng)力最大。

不同外錯距離時己15煤層工作面開采完后巷道圍巖水平應(yīng)力分布如圖6所示。

由圖6可知，不同支護方案下巷道圍巖水平應(yīng)力分布特征不同，其中方案1、方案2、方案3支護方式下巷道表面最大水平應(yīng)力分別為8.83、12.56、14.37 MPa，即方案1水平應(yīng)力最小、方案3水平應(yīng)力最大。

提取測線上巷道頂?shù)装宕怪睉?yīng)力和兩幫水平應(yīng)力數(shù)據(jù)，經(jīng)處理得到下位煤層回采巷道不同支護方案下應(yīng)力的分布特征。繪制應(yīng)力分布曲線，如圖7所示。

圖7 不同支護條件下圍巖應(yīng)力分布曲線Fig.7 Stress variation curve of surrounding rock under different supporting schemes

由圖7可知，不同支護條件下巷道圍巖的應(yīng)力分布特征不同。其中方案3支護下巷道頂板垂直應(yīng)力最大、方案1支護下巷道頂板垂直應(yīng)力最小，2種方案的垂直應(yīng)力分別為23.94、17.41 MPa；而方案3支護下巷道底板垂直應(yīng)力最大、方案1支護下巷道底板垂直應(yīng)力最小，2種方案的垂直應(yīng)力分別為22.83、13.14 MPa；方案3支護下低幫巷道水平應(yīng)力最大、方案2支護下低幫巷道水平應(yīng)力最小，2種方案的水平應(yīng)力分別為22.61、15.92 MPa；方案3支護下高幫巷道水平應(yīng)力最大、方案1支護下高幫巷道水平應(yīng)力最小，2種方案的水平應(yīng)力分別為27.32、15.68 MPa。

(2)巷道圍巖表面位移變化特征。不同支護條件下巷道圍巖變形分布曲線如圖8所示。

圖8 不同支護條件下巷道圍巖變形分布曲線Fig.8 Deformation curve of roadway surrounding rock under different supporting schemes

由圖8可知，不同支護方案下巷道圍巖變形量不同。其中,方案1支護下巷道圍巖變形量最大、方案3支護下巷道圍巖變形量最小，方案1支護下巷道頂板、底板、高幫、低幫位移量分別為92、43、116、65 mm,方案3支護下巷道頂板、底板、高幫、低幫位移量分別為58、36、69、53 mm。

由上述研究可知，方案1支護下巷道位移量最大，方案3支護下巷道位移量最小，且方案3條件下巷道頂?shù)装?、兩幫變形量分別為94、122 mm，認(rèn)為采用支護方案3時能夠較好控制巷道圍巖變形。

4 結(jié)論

(1)對比不同巷道支護方式的優(yōu)缺點，確定了高強錨網(wǎng)索支護方式，揭示了該支護方式下支護系統(tǒng)與圍巖組成整體以及抑制圍巖離層等的支護機理，提出了3種主動支護方案，采用數(shù)值計算軟件對支護參數(shù)進行了分析，確定了合理的支護參數(shù)。

(2)分析結(jié)果表明，采用支護方案3(頂板間排距為1 200 mm×1 600 mm的φ22 mm×6 500 mm預(yù)應(yīng)力錨索+頂板間排距為700 mm×800 mm的φ22 mm×2 600 mm高強預(yù)應(yīng)力錨桿+兩幫間排距為750 mm×800 mm的φ20 mm×2 400 mm高強預(yù)應(yīng)力錨桿)時，巷道圍巖的變形程度最小。該支護參數(shù)下巷道頂?shù)装?、兩幫變形量分別為94、122 mm，相比方案1，支護3方案支護下頂?shù)装?、兩幫變形量分別降低41、59 mm。