極近距離下伏煤層沿空巷道支護技術及應用

牛孝田，孟令海

(安徽恒源煤電股份有限公司，安徽 淮北 235000)

煤層聯(lián)合開采在我國煤礦開采中應用廣泛，極近距離煤層開采時巷道穩(wěn)定性控制是一大難題。由于煤層間距較小，上煤層采空區(qū)導致下煤層工作面回采期間礦壓規(guī)律復雜，下伏煤層回采巷道支護不合理易導致巷道失穩(wěn)破壞且維護困難，影響煤礦生產(chǎn)效益[1-3]。所以針對特定的工程地質(zhì)條件，設計合理的支護方式至關重要。很多學者針對這一問題進行了研究，分析了采空區(qū)底板應力分布規(guī)律及巷道失穩(wěn)破壞原因[4-8]。煤層開采時回采巷道的支護方式依靠經(jīng)驗使用多種方式聯(lián)合支護有一定的盲目性，提高了支護成本的同時，也降低了掘進效率[9-11]。國內(nèi)外學者針對極近距離巷道失穩(wěn)變形特征，對極近距離煤層采空區(qū)下巷道提出了不同支護技術，具有借鑒意義[12-16]。實踐證明極近距離煤層回采時應充分考慮上方采空區(qū)對下方煤層的應力傳遞規(guī)律影響并根據(jù)特定的地質(zhì)條件設計合理的支護方式才能保證生產(chǎn)安全[17-20]。本文以任樓煤礦Ⅱ7324S工作面風巷為背景，利用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測等方法，通過研究極近距離煤層開采下伏巷道圍巖失穩(wěn)機制，提出近距離下伏煤層沿空巷道支護技術，為相似工程地質(zhì)條件提供借鑒與參考。

1 工程概況

任樓煤礦Ⅱ7324S工作面位于二水平Ⅱ2采區(qū)二區(qū)段南翼。Ⅱ7324S工作面上限為設計風巷，下限至設計機巷，整體走向平均長773m，傾斜寬134～186m。下伏82煤層未回采，上覆為Ⅱ7224S采空區(qū)。工作面72、73煤層屬于近距離煤層，平均層間距為6.0m，而有些地方層間距甚至只有1.7m，屬于極近距離煤層。工作面斷層發(fā)育多，導致巷道層理復雜，頂板管理難度更大，對頂板超前管理要求也更高。該工作面空間位置關系如圖1所示。

圖1 Ⅱ7324S工作面空間位置關系

任樓礦為多煤層聯(lián)合集中布置開采礦井，巷道主要受煤層組開采擾動影響，反復變形破壞。采用傳統(tǒng)架棚工藝修復后，巷道仍會較快發(fā)生變形破壞，需多次返工維修。在受采動影響變形嚴重的巷道，實施二次耦合支護技術，隨著巷道使用年限的增加，巷道圍巖破碎、失穩(wěn)，部分支護失效，原耦合支護已不能滿足礦井安全生產(chǎn)需要。

2 極近距離煤層開采下伏巷道圍巖失穩(wěn)機制及控制方法

工程實際中，煤系巷道頂板往往存在多組由控制層、傳遞層、受控層組成的疊加梁，各組疊加梁撓曲變形受其控制層控制，而各控制層的應力環(huán)境與力學性能存在差異，導致各組疊加梁之間產(chǎn)生離層，各組疊加梁之間無力學聯(lián)系，如圖2所示。

圖2 巷道頂板疊加梁受力模型

煤系巷道頂板中，單一直接頂厚度薄，受采動作用易破碎垮落，疊加梁理論通過錨桿增加巷道頂板整體性，從而提高承載能力。頂板疊加梁支護模型如圖3所示。

圖3 頂板疊加梁支護模型

隨著新型注漿材料的研發(fā)與引進，檢測機具的更新?lián)Q代，對原支護設計進行了優(yōu)化，強化了支護材料，改進了注漿方式?；谟行у^固層厚度的“疊加梁”理論，考慮到風巷為沿空巷道，結合實際的地質(zhì)條件提出了錨注一體化高強耦合支護技術，即高扭矩力、高預緊力、高強度支護材料、全長錨固注漿、圍巖加固注漿(“三高兩注”)。

3 近距離下伏煤層沿空巷道支護方案

Ⅱ7324S風巷設計為沿空巷道，在Ⅱ7322工作面回采完成后，待巖層運動穩(wěn)定后再掘進巷道，此時采空區(qū)的側向支承壓力處于穩(wěn)定狀態(tài)，對圍巖的影響很小。

根據(jù)以上的分析可知，沿空掘巷圍巖變形與破壞呈現(xiàn)非均勻性，因此提出窄煤柱幫“錨桿+錨索+注漿”的聯(lián)合支護方式，實體煤幫采用高強度錨桿支護，實現(xiàn)沿空掘巷圍巖的合理控制。沿空風巷掘進圍巖支護方案如圖4所示。

圖4 巷道支護技術方案(mm)

短注漿錨索和長注漿錨索分別采用?21.8mm×3500mm和?21.8mm×6300mm中孔注漿錨索；巷道頂板交替布置6根短注漿錨索和3根長注漿錨索，間排距分別為800mm×800mm和1200mm×800mm；兩幫每排布置4根?20mm×2600mm右旋螺紋鋼錨桿，窄煤柱幫每排再布置2根長注漿錨索，間排距都為800mm×800mm；頂板短錨索和長錨索采用長度分別為4200mm和2800mm、寬為250mm、厚度為3.5mm的W型鋼帶，幫部錨桿和錨索采用長度分別為2600mm和1600mm、寬為250mm、厚度為3.5mm的W型鋼帶；短注漿錨索和長注漿錨索張拉力分別為220kN和200kN，兩幫錨桿預緊力矩不小于200N·m；選用1000mm×5500mm的10#菱形金屬網(wǎng)；錨索工字鋼采用L=2000mm中間鉆孔的11#工字鋼。

4 巷道支護方案模擬研究

4.1 模型建立

為了驗證Ⅱ7324S工作面支護方案的可行性，以工作面風巷工程地質(zhì)條件為標準，建立FLAC3D三維數(shù)值模型，模型尺寸為長×寬×高=600m×100m×140m，72與73煤之間泥巖厚度分別設置6.0m和4.0m，增加錨固加固區(qū)以模擬支護效果，施加垂直應力為11.3MPa。模擬分析風巷在不同工作面采動影響下的變形特征、塑性區(qū)分布及應力分布情況，以驗證支護方案在實際應用中的可行性。煤巖體物理力學參數(shù)見表1。

表1 巖層物理力學參數(shù)

4.2 模擬結果分析

按實際工程施工順序?qū)ぷ髅孢M行開挖后，再對7324S工作面風巷進行開挖和支護，分析支護后風巷圍巖的塑性區(qū)分布、應力分布及位移情況如圖5所示。

圖5 數(shù)值模擬云圖

由圖5(a)可知，由于72與73煤層間距小，上煤層采動影響下，風巷頂板和底板主要受到拉剪破壞和拉破壞，導致巷道四周發(fā)生大面積塑性破壞；由圖5(b)可知，風巷處于卸壓帶內(nèi)，頂板壓力較低，但頂角處存在應力集中；從圖5(c)和圖5(d)可以看出，巷道頂板和底板相對位移量分別為54.4mm和30.8mm，實體煤幫和煤柱幫相對位移量分別為55.8mm和42.0mm。從數(shù)值模擬結果分析可知，采用針對7324S工作面風巷制定的支護方案時巷道整體變形量不大，能有效控制圍巖穩(wěn)定，可以實際應用。

5 現(xiàn)場工程應用

5.1 巷道圍巖變形觀測

對采動影響下的Ⅱ7324S風巷布置5個測站進行礦壓監(jiān)測，測站位置分別處于距掘進工作面5m、25m、45m、65m和85m，篇幅原因只給出Ⅲ測站的觀察數(shù)據(jù)。Ⅲ測站圍巖表面變形情況如圖6所示。

圖6 Ⅲ測站圍巖表面變形情況

Ⅲ測站觀測期間巷道圍巖兩幫、頂?shù)装逑鄬σ平糠謩e累計為148mm和89mm，其中，煤壁幫、煤柱幫側相對移近量累計達70mm和78mm。兩幫和頂板表面巖層較完整，巷道頂板及兩幫位移較小，巷道斷面較完整，該段巷道礦壓顯現(xiàn)也不明顯。

5.2 巷道頂板深部離層監(jiān)測分析

采用頂板離層儀進行巷道圍巖內(nèi)部不同深度的位移監(jiān)測，掌握巷道圍巖的深部位移變化的確切位置，在每個測站巷中線處分別安裝頂板離層儀，安裝完成后每天進行觀測。Ⅲ測站頂板離層情況如圖7所示。

圖7 Ⅲ測站頂板離層情況

巷道總體掘進過程中，Ⅲ測站0～1.1m和1.1～2.4m淺基點處相對位移量累計分別達2mm和1mm，Ⅲ測站2.4～4.3m和4.3～6.4m深基點處相對位移量累計分別達7mm和3mm，該地段巷道頂板離層主要發(fā)生在2.4～6.4m巖層中，累計達10mm，各基點的離層量均較小。

5.3 巷道錨索工作阻力分析

通過在錨索端部安裝應力傳感器來對錨索受力情況進行監(jiān)測，每個測站共計3～5套液壓枕，安裝完成后每天定時進行觀測，得到錨索軸向載荷變化曲線，如圖8所示。

圖8 巷道掘進期間錨索軸向載荷變化曲線

監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，三個錨索初始預緊力均大于100kN，與錨索設計預緊力相差不大，此地段錨索初期施加的預緊力基本滿足要求。隨著掘進工作面的推進，錨索軸向載荷示數(shù)變化較小，1#錨索軸向載荷由189kN增加到205kN，2#錨索軸向載荷由121kN增加到134kN，3#錨索軸向載荷由108kN增加到118kN，該地段礦壓顯現(xiàn)不明顯。1#、2#、3#錨索的軸向載荷隨著掘進工作面的推進，有少量增加，3#錨索軸向載荷變化相對最大為16kN，表明巷道圍巖的礦壓顯現(xiàn)不強烈，錨索的工作狀況良好。

6 結 論

1)基于有效錨固層厚度的“疊加梁”理論，結合實際的地質(zhì)條件提出了錨注一體化高強耦合支護技術，即高扭矩力、高預緊力、高強度支護材料、全長錨固注漿、圍巖加固注漿(“三高兩注”)支護方案。

2)針對巷道圍巖運移規(guī)律和錨桿索支護工況的現(xiàn)場實時監(jiān)測表明，巷道整體變形量不大，巷道圍巖礦壓顯現(xiàn)不強，錨桿索工作狀況良好。該支護技術方案取得了較好的效果，可在相似工作面推廣應用和借鑒。