近距離煤層采空區(qū)下巷道穩(wěn)定性分析及錨固技術(shù)研究

王 喆

（晉能控股集團(tuán)沁秀煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048007）

近距煤層組通常采用向下開(kāi)采，由于相鄰煤層間距較小，彼此間的采動(dòng)作用無(wú)法避免，特別是上覆煤體采掘完成后所帶來(lái)的沖擊，使下煤層的開(kāi)采要比單獨(dú)的煤層更為復(fù)雜、難度大。回采巷道受上覆采空區(qū)和本煤層采動(dòng)的影響，特別是在采空區(qū)和特殊地質(zhì)條件下，多個(gè)因素的干擾使巷道支護(hù)困難。

采動(dòng)巷道的支護(hù)難度大，其原因是巷道不但要承受高處的壓力，而且還要受到巷道在開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生的強(qiáng)大的采動(dòng)應(yīng)力。由于受到開(kāi)采活動(dòng)的影響，巷道的巖體應(yīng)力可達(dá)到原來(lái)的數(shù)倍甚至近十倍，在高應(yīng)力和強(qiáng)開(kāi)采壓力的雙重作用下，其變形量大、擴(kuò)容性大、持續(xù)變形大，并且具有較強(qiáng)的非穩(wěn)定性、非線性特性，破壞程度較高，極易誘發(fā)重大、特大災(zāi)害。

1 項(xiàng)目背景

晉能控股集團(tuán)某礦23513 工作面運(yùn)輸巷道是近距離煤層的采空區(qū)下采動(dòng)巷道，2、3 煤層之間距離為5.5m，2 煤層的已完成開(kāi)采，成為采空區(qū)，該采空區(qū)對(duì)23513工作面運(yùn)輸巷產(chǎn)生較大的影響，加上23513工作面采動(dòng)的作用，極大地提升了巷道支護(hù)的難度。23513工作面布置如圖1所示。

圖1 23513工作面層位剖面圖

通過(guò)實(shí)地勘察，研究表明23513運(yùn)輸巷支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形較大，且變形不均勻，采空區(qū)工作面的側(cè)向變形較大，整個(gè)工作面的滑移率較高，采空區(qū)邊幫上部肩角的局部變形超過(guò)300mm。煤壁片幫出現(xiàn)的頻率較高，在幫部煤體破裂后，會(huì)形成大量的網(wǎng)袋，從而使幫部的鋼條發(fā)生較大的變形。表1顯示了煤層的頂?shù)装迩闆r。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

2 近距離采空區(qū)下巷道穩(wěn)定性分析

在掘進(jìn)到穩(wěn)定階段，圍巖的相對(duì)變形量通常呈現(xiàn)出在淺部變形量較大，并隨著深度的增大而減小，直到完全消失。礦坑周?chē)鷰r體裂隙發(fā)育規(guī)律與巖層的相對(duì)變形規(guī)律基本相符，在淺部裂隙的發(fā)育較為明顯，隨著深度的增加，裂隙逐漸消失。而在近采空區(qū)下，由于采動(dòng)的作用，上覆圍巖的裂縫發(fā)育十分顯著，即巷道圍巖破裂面積較大，且裂縫的擴(kuò)展區(qū)域容易沖破錨桿構(gòu)造的錨固圈，嚴(yán)重影響到頂板的巖體安全性，從而使錨桿和圍巖發(fā)生總體的變形。在低荷載作用下，在不斷裂的情況下，出現(xiàn)了大的巷道變形[1]。

隨著高預(yù)應(yīng)力支撐體錨固深度逐漸增大，錨桿對(duì)圍巖的相對(duì)位移敏感程度逐漸增強(qiáng)，在穿越巷道圍巖橫向裂縫區(qū)域后，錨固于深部圍巖的低破壞、小變形區(qū)域；錨桿在巷道周?chē)鷰r石中的零位移點(diǎn)上生根，達(dá)到了臨界錨固層的極限值，并在此基礎(chǔ)上完成了跨界錨固。圖2為錨桿長(zhǎng)度與圍巖變形的關(guān)系。這種錨固結(jié)構(gòu)可以有效地調(diào)動(dòng)較大范圍的巖體構(gòu)造，充分利用較小的位移量限制巷道表面大變形，充分發(fā)揮內(nèi)外巖體的聯(lián)動(dòng)性，在圍巖變形趨勢(shì)下迅速增加阻力，從而有效地抑制圍巖內(nèi)失穩(wěn)的發(fā)展，消除圍巖不連續(xù)變形，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定的控制；并改善其抗動(dòng)載荷干擾性能。

圖2 錨桿長(zhǎng)度與圍巖變形的關(guān)系

3 不同支護(hù)條件下巷道圍巖變形數(shù)值模擬

3.1 FLAC3D模型的建立

依據(jù)23513煤層運(yùn)輸巷道的空間分布，以及煤層頂板、底板的情況，采用簡(jiǎn)易煤層綜合柱形圖，確定了煤層的數(shù)學(xué)模型，圖3位模型結(jié)構(gòu)圖，并在此基礎(chǔ)上，首先對(duì)2煤層工作面進(jìn)行開(kāi)采。在采空區(qū)下開(kāi)掘巷道，并對(duì)3煤層進(jìn)行了分段開(kāi)挖，對(duì)不同錨桿長(zhǎng)度條件下的錨索應(yīng)力場(chǎng)、巷道圍巖的變形進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出了相應(yīng)的支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)。

圖3 數(shù)值模擬模型

本文采用Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值模擬，模型的大?。洪L(zhǎng)×寬×高=210m×10m×35m；將模型的邊界作為位移的約束邊界，側(cè)壓的系數(shù)選取為1.3，水平應(yīng)力選取為20.6MPa，上邊界為模型埋深施加均布垂直應(yīng)力15MPa。

在巷道頂板的位置需要布置10 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，其中位移檢測(cè)點(diǎn)和應(yīng)力檢測(cè)點(diǎn)各5個(gè)，相鄰兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)之間的直線距離為0.5m。在巷道兩幫的位置需要布置10 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，其中位移檢測(cè)點(diǎn)和應(yīng)力檢測(cè)點(diǎn)各5個(gè)，相鄰兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)之間的直線距離為0.5m。在巷道兩肩部位置各布置5個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，相鄰兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)之間的直線距離為0.5m。圖4 對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，監(jiān)測(cè)點(diǎn)在每完成50次計(jì)算后進(jìn)行一次數(shù)據(jù)記錄。為了精確地模擬采場(chǎng)圍巖的移動(dòng)，采用垮落帶支護(hù)技術(shù)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行了治理，該技術(shù)在采空區(qū)模擬中，充分考慮了崩落帶崩塌后的壓實(shí)作用；采用不同的支承力在開(kāi)挖后不同變形的頂板上進(jìn)行模擬，從而實(shí)現(xiàn)了采空區(qū)整體壓實(shí)的全過(guò)程模擬，具體實(shí)施方式是：先建立模型，再進(jìn)行第一階段開(kāi)挖，再進(jìn)行節(jié)點(diǎn)力修正，將結(jié)點(diǎn)力應(yīng)用于相應(yīng)采空區(qū)的頂板節(jié)點(diǎn)，頂板節(jié)點(diǎn)的結(jié)點(diǎn)力每10個(gè)步驟更新一次。檢查該模型的平衡，若不均衡，則持續(xù)更新結(jié)點(diǎn)的作用力，并計(jì)算10個(gè)步驟來(lái)確認(rèn)平衡，如此反復(fù)，直至達(dá)到平衡。接著，繼續(xù)進(jìn)行下一步的挖掘，在挖掘的過(guò)程中，不斷地更新節(jié)點(diǎn)的力量，直至各部位均已開(kāi)挖，并且全部達(dá)到均衡狀態(tài)，即可獲得仿真結(jié)果。

圖4 23513巷道FLAC3D測(cè)點(diǎn)布置(單位：m)

3.2 不同支護(hù)方案效果對(duì)比

針對(duì)不同類(lèi)型的錨桿支護(hù)效應(yīng)，采用不同的支護(hù)方式進(jìn)行了數(shù)值仿真，比較了各種支護(hù)方式在縱向位移、橫向位移和水平應(yīng)力集中等方面的差異。

支護(hù)方案1:頂桿支護(hù)采用的錨桿長(zhǎng)度為2.4m，數(shù)量為5 根；巷道兩幫選擇相同的支護(hù)方案，分別采用2根2.4m錨桿、1根4.2m錨桿，每?jī)筛^桿之間的距離為1m。

支護(hù)方案2:頂桿支護(hù)采用的錨桿長(zhǎng)度為3.4m，數(shù)量為4 根，每?jī)筛^索之間的距離為1.4m;巷道兩幫支護(hù)參數(shù)的選擇有所差異，在采煤幫側(cè)采用2.4m 的錨桿4根，優(yōu)化后的支護(hù)方案排間的距離為1m，在非采煤幫側(cè)采用4.2m的錨索加強(qiáng)支護(hù)，支護(hù)間距為2m。

圖5對(duì)比了采用不同支護(hù)方案時(shí)巷道的變形情況，圖5(a)對(duì)比采取兩種不同的支護(hù)方案縱向位移的位移量，方案2位移量有了顯著的降低，最高減少量達(dá)到了45%；圖5(b)對(duì)比采取兩種不同的支護(hù)方案橫向位移的位移量，方案2位移量有了顯著的降低，最高減少量達(dá)到了47%；綜合對(duì)比分析，方案2 在支護(hù)效果上有了明顯的提升，能夠保證圍巖的穩(wěn)定性，提升巷道在收到采動(dòng)影響后的安全性。

圖5 不同支護(hù)方案巷道變形

圖6 是在各種支護(hù)方式下的煤層橫向應(yīng)力場(chǎng)的變化，從該處可以看到煤層的塑性失穩(wěn)情況，方案2的支護(hù)方式對(duì)塑性破壞區(qū)的控制效果更為顯著。從塑性區(qū)的大小、縱向和橫向的位移量等多個(gè)角度來(lái)比較兩種不同的支護(hù)方式，可以清楚地看到，在采用兩種不同方案的情況下，采用第二種方案，其效果顯著高于1 種方案。

圖6 不同支護(hù)方案巷道塑性變形區(qū)

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4.1 頂板支護(hù)

頂板支護(hù)采用復(fù)合支護(hù)的方式進(jìn)行，即采用直徑21.6mm，長(zhǎng)度3500mm 錨索和直徑6mm 鋼筋網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，每排布置4根錨索，每?jī)筛^索距離1400mm，每排錨索間隔1000mm，采用MSCKb2360 和MSK2380樹(shù)脂藥卷對(duì)錨索進(jìn)行進(jìn)一步錨固，托盤(pán)規(guī)格為300mm×300mm×16mm;鋼筋網(wǎng)孔的尺寸100mm×60mm，中間壓茬100mm;采用直徑28mm 的鉆頭在頂板鉆眼，要求錨固應(yīng)力的初始值在200kN以上[2]。

4.2 煤幫支護(hù)

在對(duì)幫部進(jìn)行錨固時(shí)，選取的錨桿參數(shù)為直徑22mm，長(zhǎng)度2400mm，同時(shí)采用M鋼帶和金屬網(wǎng)配合支護(hù)，支護(hù)間距為800mm×1000mm。每根錨桿使用一卷MSK 2380 樹(shù)脂藥卷錨固。錨固力的設(shè)計(jì)要求不低于120kN，螺帽扭矩不低于255N·m。

在非采煤幫側(cè)，采用錨索進(jìn)行支護(hù)加固，錨索由21.6mm 直徑的鋼絞線制成，長(zhǎng)度為4200mm，支護(hù)間距為2000mm，托盤(pán)規(guī)格為300mm×300mm×16mm，采用MSCKb2360 和MSK2380 樹(shù)脂藥卷對(duì)錨索進(jìn)行進(jìn)一步錨固，要求錨固應(yīng)力的初始值在200kN以上。

兩排錨索之間，在靠近膠帶行人一側(cè)的位置上布置一根帶帽木質(zhì)點(diǎn)柱，木質(zhì)點(diǎn)柱的位置應(yīng)該布置在迎頭30m以?xún)?nèi)。

4.3 礦壓觀測(cè)結(jié)果及分析

從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的頂板離層儀數(shù)據(jù)可以得到以下結(jié)論：在距離切眼30m處的位置，頂板離層儀深層錨固點(diǎn)和淺層錨固點(diǎn)的最大位移量分別達(dá)到了20mm 和16mm，離層值達(dá)到了4mm；在距離切眼30m處的位置，頂板離層儀深層錨固點(diǎn)和淺層錨固點(diǎn)的最大位移量分別達(dá)到了36mm 和26mm，離層值達(dá)到了10mm。見(jiàn)圖7。

圖7 23513切眼30m、90m處離層儀數(shù)據(jù)

通過(guò)實(shí)施該新的支護(hù)方案，可以有效地抑制巷道的變形，減少了支護(hù)費(fèi)用，提高了隧道的掘進(jìn)速率。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)對(duì)采空區(qū)下巷道的變形機(jī)制和穩(wěn)定進(jìn)行了研究，得出了以厚壁錨桿為基礎(chǔ)的巖體連續(xù)加固支護(hù)法可以有效地控制或消除煤體拉應(yīng)力區(qū)。

（2）采用三維有限元數(shù)值計(jì)算方法，研究了不同的錨固長(zhǎng)度對(duì)巷道圍巖的控制效果。通過(guò)模擬可以得到以下結(jié)論：錨桿的長(zhǎng)度和圍巖的穩(wěn)定性呈現(xiàn)較強(qiáng)的正相關(guān)性，并且在頂板使用3.5m短錨的情況下，圍巖得到支護(hù)效果最佳，降低了圍巖體的應(yīng)力集中。

（3）針對(duì)采空區(qū)下巷道圍巖的受力及變形特點(diǎn)，提出了利用短錨進(jìn)行支護(hù)的支護(hù)方案，經(jīng)過(guò)方案優(yōu)化后，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)礦壓進(jìn)行實(shí)地監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了圍巖的穩(wěn)定控制。