李建榮 薛旭輝

（1.霍州煤電集團白龍礦建公司，山西 霍州 031400；2.霍州煤電集團技術(shù)研究院，山西 霍州 031400）

對煤層群的開采方式一般為下行式開采[1-3]，采用這種開采方法可導(dǎo)致下伏煤層工作面處于采空區(qū)下，下伏煤層工作面的開采會使采空區(qū)圍巖體發(fā)生再次應(yīng)力擾動，且工作面上方的采空區(qū)可能存在大量積水，給巷道圍巖支護帶來一定的困難[4-5]。本文結(jié)合團柏煤礦11-101上覆含水采空區(qū)煤巷工作面地質(zhì)條件，進行了支護設(shè)計及參數(shù)優(yōu)化，并對支護效果進行了分析。

1 工程概況

11-101工作面為團柏煤礦11煤層設(shè)計的首采工作面。11-101工作面上方為10煤層采空區(qū)，該區(qū)域10、11煤層平均層間距5.4m，且采空區(qū)局部區(qū)域有較嚴(yán)重的積水現(xiàn)象，11-101工作面順槽屬于采空區(qū)下近距離煤巷工作面。11-101工作面順槽掘進過程中的特點如下：

（1）11#煤層首采工作面回采巷道處于10#煤層采空區(qū)下，由于煤層頂板巖層厚度較小，且靠近10#煤層采空區(qū)下的部分巖層因采動影響而碎裂，部分薄頂板區(qū)域錨桿錨固段條件差（部分區(qū)域無法施工錨索）。

（2）10#煤層采空區(qū)遺留煤柱（如區(qū)段煤柱）較多，11#煤層可能有巷道穿過10#煤層殘留煤柱區(qū)域應(yīng)力集中區(qū)，該處巷道的礦山壓力顯現(xiàn)將十分劇烈，煤柱下巷道支護必須采取髙強高預(yù)緊力耦合支護方式。

（3）10#煤層采空區(qū)低洼點積水，11#煤層巷道掘進過程中應(yīng)采取有效的疏放水措施，并且工作面設(shè)計盡量采用利于疏水的布置方案，巷道錨桿支護的錨固設(shè)計應(yīng)充分考慮到錨固方式的防水要求。

（4）11#煤層厚度較大，為實現(xiàn)機械化高效開采，巷道斷面大（巷道寬度和高度均大），若頂板留頂煤困難，對于大厚度煤層區(qū)域需沿頂留底煤掘進（如果11煤層粘頂，盡量留頂煤沿底掘進，此時錨桿支護的技術(shù)要求更加嚴(yán)格）。

2 支護設(shè)計與參數(shù)優(yōu)化

2.1 計算模型與計算參數(shù)

為分析和優(yōu)化11-101工作面順槽掘進支護參數(shù)，在有限元軟件中建立了分析模型，模型具體參數(shù)為：計算巷道寬度4.3m，計算巷道高度2.7m，計算深度，巷道埋藏深度按350m計算。

2.2 錨桿類型與支護結(jié)構(gòu)的確定

由于11#煤層掘進巷道上部的10#煤層已開采，且留下了部分煤柱，頂板控制的關(guān)鍵是：

（1）組合梁：根據(jù)組合梁理論，采用高強度高預(yù)緊力錨桿將巷道頂煤以及頂板巖層組合成一個完整的組合梁，以提高該組合巖層的自承載能力。

（2）懸吊：由于上部采空區(qū)的存在，采用長錨索懸吊在此特殊地質(zhì)條件下是不可能實現(xiàn)的。因此，為懸吊和限制錨桿加固范圍內(nèi)的組合梁，采用錨索鋼梁系統(tǒng)是較好的選擇。

最終支護方式：高強預(yù)緊力錨桿+錨桿鋼梁系統(tǒng)。

2.3 錨桿長度分析

通過在模型中分析11-101工作面順槽圍巖的應(yīng)力分布、其最大最小主應(yīng)力情況，可得出11-101工作面順槽的摩爾庫倫安全系數(shù)，并對安全系數(shù)進行模擬分析，如圖1所示。從圖中可以看出巷道頂板0.9m左右的安全系數(shù)低于1.0。

圖1 巷道周圍安全系數(shù)分布

從有限元模型分析中得知，錨固的最小長度應(yīng)為0.9m，根據(jù)此限制，綜合井下實際的巖性變化（鉆孔資料顯示，11#煤層頂板為不穩(wěn)定巖層及中等穩(wěn)定巖層），考慮一定的安全系數(shù)，選擇頂板錨桿長度為2.4m。

2.4 錨桿預(yù)緊力的確定

錨桿的預(yù)緊力是錨桿支護的重要參數(shù)，對支護效果有較大的影響，合適的錨桿預(yù)緊力應(yīng)達(dá)到以下支護效果：（1）頂板巖層中無離層發(fā)生；（2）頂板巖層中的拉應(yīng)力區(qū)和拉應(yīng)力值應(yīng)盡量小。

模型計算所選取的錨桿排距1.0m，為了獲得最佳的預(yù)緊力值，通過改變錨桿支護系統(tǒng)的預(yù)緊力，進行支護設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化計算，運行結(jié)果如下：

（1）30kN預(yù)緊力

圖2為預(yù)緊力為30kN時的圍巖應(yīng)力及變形情況。如圖所示，在預(yù)緊力為30kN時，雖然圍巖沒有發(fā)生離層及大的位移，但是在巷道上方1.2m左右存在拉應(yīng)力區(qū)，為提高錨固效果應(yīng)增強預(yù)緊力來減小拉應(yīng)力分布范圍。

圖2 圍巖應(yīng)力分布與圍巖變形計算結(jié)果（30kN預(yù)緊力）

（2）40kN預(yù)緊力

結(jié)合上一步的分析將預(yù)緊力調(diào)整為40kN，此時圍巖的應(yīng)力和變形情況如圖3所示。從圖中可以看出，圍巖無離層及大變形，且拉應(yīng)力區(qū)范圍大大減小。因此，錨桿預(yù)緊力應(yīng)不低于40kN。

圖3 圍巖應(yīng)力分布與圍巖變形（40kN預(yù)緊力）

2.5 錨桿直徑的確定

根據(jù)以上的錨桿預(yù)緊力，考慮圍巖的應(yīng)力大小，選取1.5倍的安全系數(shù)。經(jīng)計算，錨桿選用Q500直徑18mm，其桿體的力學(xué)性能為：理論屈服強度大于127kN，理論抗拉強度大于180kN。

3 現(xiàn)場應(yīng)用及支護效果分析

3.1 試驗巷道支護方案及其參數(shù)

（1）錨桿支護

頂錨桿參數(shù)：Φ18×2400mm，Q500礦用高強螺紋鋼，屈服強度＞127kN，抗拉強度＞180kN，預(yù)緊力4kN以上（對應(yīng)的安裝扭矩需做井下試驗確定），樹脂錨固劑CK2340一支、Z2388一支（根據(jù)井下實際情況，確定是否采用防水錨固劑），錨桿排距900mm。

幫錨桿參數(shù)：Φ18×2200mm，Q500礦用高強螺紋鋼，屈服強度＞127kN，抗拉強度＞180kN，預(yù)緊力4kN以上（對應(yīng)的安裝扭矩需做井下試驗確定），樹脂錨固劑CK2340一支、Z2388一支，錨桿排距900mm。

（2）錨索鋼梁系統(tǒng)

錨索類型為礦用籠型錨索，錨索直徑為17.78mm，最大破斷力＞360kN，錨索長度為5000mm，蝶形墊片規(guī)格130×8，樹脂錨固劑選用Z2340×2+Z2388（根據(jù)井下實際情況，確定是否采用防水錨固劑），錨索鋼梁選用11#槽鋼，長度2200mm。支護設(shè)計方案如圖4。

圖4 試驗巷道支護設(shè)計

3.2 觀測結(jié)果分析

為分析優(yōu)化后的支護方案的效果，在巷道頂?shù)装寮皟蓭筒贾昧宋灰茰y點，且每隔一定距離設(shè)置位移觀測站，由專人進行觀測和記錄位移數(shù)據(jù)。巷道位移觀測結(jié)果如圖5所示。

圖5 工作面進風(fēng)巷頂板及兩幫位移

由圖5可知，11-101煤巷掘進工作面頂板最大位移量發(fā)生在距離工作面約100m處，位移量為65mm，之后位移量趨于穩(wěn)定，兩幫最大位移量約為45mm，兩幫位移曲線整體規(guī)律與頂板位移曲線相同。在11-101上覆采空區(qū)煤巷掘進工作面采用的支護技術(shù)達(dá)到了應(yīng)有的支護效果，保障了煤巷工作面的安全。

4 結(jié)論

（1）結(jié)合11-101上覆采空區(qū)煤巷工作面地質(zhì)條件，選取了合理的支護方式，建立了有限元模型，對錨桿長度、預(yù)緊力等參數(shù)進行了設(shè)計和優(yōu)化。

（2）根據(jù)優(yōu)化參數(shù)，確定了最終支護方案，并在巷道內(nèi)進行了相關(guān)試驗，得出了巷道頂?shù)装寮皟蓭偷奈灰屏?。?shù)據(jù)表明，該支護方案取得了較好的支護效果。