溫千峰

(山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司 官地煤礦，山西 太原 030022)

近距離煤層群，一般采用下行開采，由于煤層距離近，相互之間的采動(dòng)影響是不可避免的，尤其是上覆煤層開采完畢后產(chǎn)生的影響，使得下煤層的開采比單一煤層開采更加復(fù)雜和困難。其中回采巷道既要受到上覆采空區(qū)的影響，又要受到本煤層開采帶來的采動(dòng)影響，多重因素的干擾會(huì)導(dǎo)致巷道的支護(hù)難度大，尤其是在進(jìn)出采空區(qū)處和特殊的地質(zhì)構(gòu)造處[1-2]。

采動(dòng)巷道支護(hù)困難，主要由于巷道圍巖不僅承受高地應(yīng)力，還要經(jīng)受巷道掘進(jìn)和回采引起的強(qiáng)烈采動(dòng)應(yīng)力作用。受采動(dòng)影響的巷道圍巖應(yīng)力能達(dá)到數(shù)倍、甚至近十倍于原巖應(yīng)力，在高地應(yīng)力和強(qiáng)烈采動(dòng)應(yīng)力共同作用下，巷道圍巖表現(xiàn)出強(qiáng)烈的擴(kuò)容性、持續(xù)變形、變形量大、破壞嚴(yán)重等復(fù)雜的非穩(wěn)定和非線性特征，還可能引發(fā)重特大災(zāi)害[3-4]。

1 項(xiàng)目背景

官地礦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，其中2煤層與3煤層之間的層間距為5.5 m，2煤層工作面已采完，形成采空區(qū)，23513工作面運(yùn)輸巷既受到上覆采空區(qū)的影響，也受到本工作面采動(dòng)的影響，巷道支護(hù)問題存在較大困難。23513工作面布置如圖1所示。

圖1 23513工作面層位剖面圖

現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，23513運(yùn)輸巷道幫部變形大，并存在明顯的變形不對稱，巷道采空區(qū)側(cè)變形量明顯高于實(shí)體煤側(cè)，幫部煤體出現(xiàn)整體滑移的現(xiàn)象，采空區(qū)側(cè)幫部上肩角處部分區(qū)域變形量達(dá)300 mm以上。煤壁片幫現(xiàn)象極為普遍，幫部煤體破碎后形成大量網(wǎng)兜，幫部鋼帶隨之產(chǎn)生強(qiáng)烈變形，煤層頂?shù)装迩闆r如表1所示。

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

巷道開挖至穩(wěn)定過程中，其周邊巖體的相對變形量一般表現(xiàn)為淺部變形大、并隨著深度的增加逐漸減小直至消失。巷道周邊巖體裂隙的發(fā)育情況一般與巖層相對變形量一致，同樣表現(xiàn)為淺部裂隙發(fā)育、深部巖體裂隙逐漸消失的特征，而在近距離采空區(qū)下，其上覆圍巖已受采動(dòng)影響，裂隙發(fā)育明顯，即巷道圍巖破碎范圍相對更大，其裂隙發(fā)育范圍極易突破錨桿構(gòu)建的錨固圈層，造成頂板巖體安全控制顯著降低，導(dǎo)致錨桿索及圍巖體的整體變形，表現(xiàn)出錨桿低承載非破斷下的巷道大變形[5-7]。

隨著高預(yù)應(yīng)力支護(hù)體錨入到圍巖體深部的不斷增加，錨桿桿體對圍巖相對位移的承載敏感性不斷強(qiáng)化，當(dāng)基礎(chǔ)支護(hù)體長度穿透巷道圍巖橫向裂隙區(qū)后，錨固于深部圍巖體低損傷小變形區(qū)，使錨桿支護(hù)生根于巷道周邊巖體內(nèi)零位移點(diǎn)，即超過了臨界錨固深度后實(shí)現(xiàn)了跨界錨固，如圖2所示。此錨固結(jié)構(gòu)可有效調(diào)動(dòng)更大范圍巖體構(gòu)建承載結(jié)構(gòu)，發(fā)揮出以內(nèi)部相對小位移約束巷道表面大變形、實(shí)現(xiàn)內(nèi)外巖體聯(lián)動(dòng)、圍巖變形趨勢下急增阻的功能，該支護(hù)結(jié)構(gòu)體可有效約束圍巖內(nèi)部損失破壞的發(fā)展，消除巷道圍巖的非連續(xù)變形，實(shí)現(xiàn)巷道圍巖的長時(shí)穩(wěn)定控制，并提高其抗動(dòng)載擾動(dòng)能力。

圖2 錨桿長度與圍巖變形的關(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

根據(jù)23513運(yùn)輸巷道的地理位置關(guān)系，煤層頂、底板情況，通過簡化煤層綜合柱狀圖確定了巷道的數(shù)值模型，建立的數(shù)值模擬模型如圖3所示，模型先開采2煤層的工作面，然后在采空區(qū)下開掘巷道，最后分段開采3煤層工作面，模擬不同錨桿長度下的錨固應(yīng)力場、巷道圍巖變形情況，以此確定支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)。

圖3 數(shù)值模擬模型

模型采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算平衡，模型模擬幾何尺寸：長×寬×高=210 m×10 m×35 m；模型邊界條件：模型的左、右及下邊界均為位移固定約束邊界，上邊界為模型埋深施加均布垂直應(yīng)力P=600 m×2.5 MPa/100 m=15 MPa.水平應(yīng)力為20.6 MPa，側(cè)壓系數(shù)為1.3.

在巷道頂板布置5個(gè)位移測點(diǎn)和5個(gè)應(yīng)力測點(diǎn)，不同測點(diǎn)間的直線距離為0.5 m，巷道兩幫布置5個(gè)位移測點(diǎn)和5個(gè)應(yīng)力測點(diǎn)，不同測點(diǎn)間的直線距離為0.5 m，巷道兩側(cè)肩部布置5個(gè)應(yīng)力測點(diǎn)，不同測點(diǎn)間的直線距離為0.5 m，具體布置如圖4所示，測點(diǎn)的監(jiān)測間隔為每計(jì)算50步記錄1次數(shù)據(jù)。

圖4 23513巷道FLAC3D測點(diǎn)布置(m)

為準(zhǔn)確模擬采場圍巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律，采用垮落帶支撐法對采空區(qū)進(jìn)行處理，這種方法在模擬采空區(qū)時(shí)，考慮了垮落帶垮落以后壓實(shí)的過程，通過對開挖后不同變形的頂板施加不同的支撐力，來模擬采空區(qū)的整個(gè)壓實(shí)過程，實(shí)現(xiàn)方法為：首先建立模型，然后對模型進(jìn)行第一步開挖，運(yùn)行節(jié)點(diǎn)力更新程序，對采空區(qū)對應(yīng)的頂板的節(jié)點(diǎn)施加節(jié)點(diǎn)力，每計(jì)算10步，更新一次頂板節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)力。檢驗(yàn)?zāi)Ｐ褪欠衿胶?，如果不平衡，繼續(xù)更新節(jié)點(diǎn)力，并計(jì)算10步檢查是否平衡，一直循環(huán)直到平衡。然后繼續(xù)第二步開挖，繼續(xù)施加節(jié)點(diǎn)力，同時(shí)也更新之前開挖區(qū)域中節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)力，一直循環(huán)，直到所有區(qū)域被開挖并且達(dá)到平衡，得到模擬結(jié)果。

3.2 不同支護(hù)方案效果對比

根據(jù)不同錨桿的支護(hù)效果，提出不同的巷道支護(hù)方案進(jìn)行數(shù)值模擬研究，將不同支護(hù)方案的縱向位移變化、橫向位移變化、水平應(yīng)力集中情況等多個(gè)方面進(jìn)行對比。

支護(hù)方案1：頂板支護(hù)選擇5根2.4 m的錨桿進(jìn)行支護(hù)；巷道兩幫支護(hù)一致都選擇2根2.4 m錨桿、1根4.2 m錨桿，支護(hù)方案的間排距為1 m.

支護(hù)方案2：頂板支護(hù)選擇4根3.5 m的柔性短錨索，其中錨索的間距為1.4 m；巷道兩幫支護(hù)不一致，都選擇4根2.4 m錨桿進(jìn)行支護(hù)，新支護(hù)方案的間排距為1 m，在非采煤幫幫，施加4.2 m的錨索進(jìn)行加固，間排距為2 m.

圖5為不同支護(hù)方案的巷道變形，從圖5(a)可以看出巷道頂板的縱向位移，方案2相對于方案1最大縱向位移變形減少45%；從圖5(b)可以看出巷道兩幫的橫向位移，方案2相對于方案1最大橫向位移變形減少47%，在支護(hù)效果上方案2更優(yōu)，更能有效地控制巷道圍巖，使其受到采動(dòng)影響后能保持穩(wěn)定。

圖6為不同支護(hù)方案的巷道水平應(yīng)力變化云圖，從圖中可以看出巷道圍巖的塑性破壞情況，可以看出，方案2的塑性破壞區(qū)得到了明顯的控制。

圖6 不同支護(hù)方案巷道塑性變形區(qū)

從縱向位移、橫向位移、塑性區(qū)范圍等多個(gè)方面進(jìn)行兩個(gè)方案的支護(hù)方案的對比，能夠明顯看出，支護(hù)方案2的支護(hù)效果明顯優(yōu)于方案1.

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

4.1 頂板支護(hù)

頂板采用D21.6 mm×3 500 mm錨索壓D6 mm鋼筋網(wǎng)支護(hù)，每排4根布置，間距1 400 mm，排距為1 000 mm；每根錨索用1卷MSCKb2360和1卷MSK2380樹脂藥卷錨固，300 mm×300 mm×16 mm拱形鋼托盤；鋼筋網(wǎng)的網(wǎng)孔為100 mm×60 mm，中間壓茬100 mm；頂板鉆眼使用D28 mm鉆頭，錨固力設(shè)計(jì)值不小于200 kN，如圖7所示。

4.2 煤幫支護(hù)

幫部選用直徑D22 mm、長度L=2 400 mm的左旋金屬錨桿配合金屬網(wǎng)加M鋼帶支護(hù)，間排距均為800 mm×1 000 mm.每根錨桿使用一卷MSK2380樹脂藥卷錨固。錨固力設(shè)計(jì)值不小于120 kN，螺母扭力矩不小于255 N·m.

在非采煤幫施工走向錨索，錨索由D21.6 mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線制作，L=4 200 mm，排距為2 000 mm，托盤為300 mm×300 mm×16 mm，每根錨索用一卷MSCKb2360和一卷MSK2380樹脂藥卷錨固，錨固力設(shè)計(jì)值不小于200 kN.

每2排錨索，在巷道中間位置靠近膠帶行人側(cè)加打一根帶帽木質(zhì)點(diǎn)柱，木質(zhì)點(diǎn)柱滯后迎頭30 m以內(nèi)。

4.3 礦壓觀測結(jié)果及分析

根據(jù)現(xiàn)場的頂板離層儀實(shí)際數(shù)據(jù)分析，如圖8所示，在離切眼30 m處的頂板離層儀深層錨固點(diǎn)位移最大為20 mm，淺層錨固點(diǎn)最大位移為16 mm，最大離層值為4 mm.在離切眼90 m處的頂板離層儀深層錨固點(diǎn)位移最大為36 mm，淺層錨固點(diǎn)最大位移為26 mm，最大離層值為10 mm.

現(xiàn)場實(shí)踐新的支護(hù)方案后，巷道變形得到了有效控制，巷道支護(hù)成本降低，巷道掘進(jìn)速率也得到了提升。

5 結(jié) 語

1) 對近距離采空區(qū)下巷道圍巖變形機(jī)理及穩(wěn)定性進(jìn)行分析，提出基于厚層錨固巖梁的頂板巖層連續(xù)強(qiáng)化支護(hù)可限制或消除頂板拉應(yīng)力區(qū)。

2) 運(yùn)用三維數(shù)值模擬分析不同錨桿長度的對巷道圍巖控制的影響，結(jié)果表明：隨著錨桿長度的不斷增加，巷道圍巖穩(wěn)定性也在不斷的增強(qiáng)。其中頂板采用3.5 m短錨索時(shí)，巷道圍巖穩(wěn)定性效果最好，巷道圍巖應(yīng)力集中范圍減小。

3) 基于近距離采空區(qū)下巷道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律和圍巖變化特征，提出采用短錨索的支護(hù)優(yōu)化方案，通過現(xiàn)場礦壓觀測，巷道圍巖控制效果良好。