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(yīng)用廣泛，極近距離煤層開采時(shí)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(dǎo)致下煤層工作面回采期間礦壓規(guī)律復(fù)雜，下伏煤層回采巷道支護(hù)不合理易導(dǎo)致巷道失穩(wěn)破壞且維護(hù)困難，影響煤礦生產(chǎn)效益[1-3]。所以針對(duì)特定的工程地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)合理的支護(hù)方式至關(guān)重要。很多學(xué)者針對(duì)這一問題進(jìn)行了研究，分析了采空區(qū)底板應(yīng)力分布規(guī)律及巷道失穩(wěn)破壞原因[4-8]。煤層開采時(shí)回采巷道的支護(hù)方式依靠經(jīng)驗(yàn)使用多種方式聯(lián)合支護(hù)有一定的盲目性，提高了支護(hù)成本的同時(shí)，也降低了掘進(jìn)效率[9-11]。國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)極近距離巷道失穩(wěn)變形特征，對(duì)極近距離煤層采空區(qū)下巷道提出了不同支護(hù)技術(shù)，具有借鑒意義[12-16]。實(shí)踐證明極近距離煤層回采時(shí)應(yīng)充分考慮上方采空區(qū)對(duì)下方煤層的應(yīng)力傳遞規(guī)律影響并根據(jù)特定的地質(zhì)條件設(shè)計(jì)合理的支護(hù)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(fēng)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(jī)制，提出近距離下伏煤層沿空巷道支護(hù)技術(shù)，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(shè)計(jì)風(fēng)巷，下限至設(shè)計(jì)機(jī)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(dǎo)致巷道層理復(fù)雜，頂板管理難度更大，對(duì)頂板超前管理要求也更高。該工作面空間位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 Ⅱ7324S工作面空間位置關(guān)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(dòng)影響，反復(fù)變形破壞。采用傳統(tǒng)架棚工藝修復(fù)后，巷道仍會(huì)較快發(fā)生變形破壞，需多次返工維修。在受采動(dòng)影響變形嚴(yán)重的巷道，實(shí)施二次耦合支護(hù)技術(shù)，隨著巷道使用年限的增加，巷道圍巖破碎、失穩(wěn)，部分支護(hù)失效，原耦合支護(hù)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(jī)制及控制方法

工程實(shí)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(yīng)力環(huán)境與力學(xué)性能存在差異，導(dǎo)致各組疊加梁之間產(chǎn)生離層，各組疊加梁之間無力學(xué)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(dòng)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(hù)模型如圖3所示。

圖3 頂板疊加梁支護(hù)模型

隨著新型注漿材料的研發(fā)與引進(jìn)，檢測機(jī)具的更新?lián)Q代，對(duì)原支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，強(qiáng)化了支護(hù)材料，改進(jìn)了注漿方式?；谟行у^固層厚度的“疊加梁”理論，考慮到風(fēng)巷為沿空巷道，結(jié)合實(shí)際的地質(zhì)條件提出了錨注一體化高強(qiáng)耦合支護(hù)技術(shù)，即高扭矩力、高預(yù)緊力、高強(qiáng)度支護(hù)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(hù)方案

Ⅱ7324S風(fēng)巷設(shè)計(jì)為沿空巷道，在Ⅱ7322工作面回采完成后，待巖層運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定后再掘進(jìn)巷道，此時(shí)采空區(qū)的側(cè)向支承壓力處于穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)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(hù)方式，實(shí)體煤幫采用高強(qiáng)度錨桿支護(hù)，實(shí)現(xiàn)沿空掘巷圍巖的合理控制。沿空風(fēng)巷掘進(jìn)圍巖支護(hù)方案如圖4所示。

圖4 巷道支護(hù)技術(shù)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(yù)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(hù)方案模擬研究

4.1 模型建立

為了驗(yàn)證Ⅱ7324S工作面支護(hù)方案的可行性，以工作面風(fēng)巷工程地質(zhì)條件為標(biāo)準(zhǔn)，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(shè)置6.0m和4.0m，增加錨固加固區(qū)以模擬支護(hù)效果，施加垂直應(yīng)力為11.3MPa。模擬分析風(fēng)巷在不同工作面采動(dòng)影響下的變形特征、塑性區(qū)分布及應(yīng)力分布情況，以驗(yàn)證支護(hù)方案在實(shí)際應(yīng)用中的可行性。煤巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)

4.2 模擬結(jié)果分析

按實(shí)際工程施工順序?qū)ぷ髅孢M(jìn)行開挖后，再對(duì)7324S工作面風(fēng)巷進(jìn)行開挖和支護(hù)，分析支護(hù)后風(fēng)巷圍巖的塑性區(qū)分布、應(yīng)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(dòng)影響下，風(fēng)巷頂板和底板主要受到拉剪破壞和拉破壞，導(dǎo)致巷道四周發(fā)生大面積塑性破壞；由圖5(b)可知，風(fēng)巷處于卸壓帶內(nèi)，頂板壓力較低，但頂角處存在應(yīng)力集中；從圖5(c)和圖5(d)可以看出，巷道頂板和底板相對(duì)位移量分別為54.4mm和30.8mm，實(shí)體煤幫和煤柱幫相對(duì)位移量分別為55.8mm和42.0mm。從數(shù)值模擬結(jié)果分析可知，采用針對(duì)7324S工作面風(fēng)巷制定的支護(hù)方案時(shí)巷道整體變形量不大，能有效控制圍巖穩(wěn)定，可以實(shí)際應(yīng)用。

5 現(xiàn)場工程應(yīng)用

5.1 巷道圍巖變形觀測

對(duì)采動(dòng)影響下的Ⅱ7324S風(fēng)巷布置5個(gè)測站進(jìn)行礦壓監(jiān)測，測站位置分別處于距掘進(jìn)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?duì)移近量分別累計(jì)為148mm和89mm，其中，煤壁幫、煤柱幫側(cè)相對(duì)移近量累計(jì)達(dá)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(jìn)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(gè)測站巷中線處分別安裝頂板離層儀，安裝完成后每天進(jìn)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(jìn)過程中，Ⅲ測站0～1.1m和1.1～2.4m淺基點(diǎn)處相對(duì)位移量累計(jì)分別達(dá)2mm和1mm，Ⅲ測站2.4～4.3m和4.3～6.4m深基點(diǎn)處相對(duì)位移量累計(jì)分別達(dá)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(jì)達(dá)10mm，各基點(diǎn)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(yīng)力傳感器來對(duì)錨索受力情況進(jìn)行監(jiān)測，每個(gè)測站共計(jì)3～5套液壓枕，安裝完成后每天定時(shí)進(jìn)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(jìn)期間錨索軸向載荷變化曲線

監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，三個(gè)錨索初始預(yù)緊力均大于100kN，與錨索設(shè)計(jì)預(yù)緊力相差不大，此地段錨索初期施加的預(yù)緊力基本滿足要求。隨著掘進(jìn)工作面的推進(jìn)，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(jìn)工作面的推進(jìn)，有少量增加，3#錨索軸向載荷變化相對(duì)最大為16kN，表明巷道圍巖的礦壓顯現(xiàn)不強(qiáng)烈，錨索的工作狀況良好。

6 結(jié) 論

1)基于有效錨固層厚度的“疊加梁”理論，結(jié)合實(shí)際的地質(zhì)條件提出了錨注一體化高強(qiáng)耦合支護(hù)技術(shù)，即高扭矩力、高預(yù)緊力、高強(qiáng)度支護(hù)材料、全長錨固注漿、圍巖加固注漿(“三高兩注”)支護(hù)方案。

2)針對(duì)巷道圍巖運(yùn)移規(guī)律和錨桿索支護(hù)工況的現(xiàn)場實(shí)時(shí)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(qiáng)，錨桿索工作狀況良好。該支護(hù)技術(shù)方案取得了較好的效果，可在相似工作面推廣應(yīng)用和借鑒。