近距離煤層采空區下回采巷道圍巖控制技術研究與應用

張步元

（西山煤電馬蘭礦，山西 古交 030200）

0 引 言

近距離煤層下行式開采中，在上位工作面回采完畢后，會使得回采空間圍巖應力重新分布，上位殘留區段煤柱會形成應力集中現象，造成下位工作面的頂板結構和應力環境發生變化，從而致使近距離采空區下進行回采工作時回采巷道礦壓顯現更為劇烈和復雜。因此解決近距離煤層采空區下回采巷道的支護問題對礦井的安全生產具有重要意義[1,2]。本文所討論的馬蘭礦12509工作面皮帶巷的圍巖控制問題，屬于典型的近距離煤層采空區下回采巷道的圍巖控制問題，論文從分析2#煤圍巖應力環境與賦存條件的測試出發，根據測試結果與工作面地質條件提出根據巷道頂板與采空區間厚度的變化采用三種支護方案對近距離煤層采空區下12509工作面皮帶巷進行圍巖控制，并且支護方案的效果通過礦壓監測數據得到了驗證。

1 工程概況

馬蘭礦12509工作面走向長度1318m，傾斜長度為216m，所采2#煤層的均厚為2.92m，直接頂為0.70m的粉砂質泥巖，基本頂為5.67m的S5砂巖，直接底為1m的粉砂巖和0.3m的3#煤，老底為7.85m的粗砂巖，經過現場探測發現工作面頂板2#煤與02#煤之間的距離在2.5～9.0m之間，巷道沿煤層底板掘進，施工時上覆02#煤已回采完畢，具體12509工作面布置如圖1所示。

圖112509 工作面布置示意圖

2 2#煤圍巖應力環境與賦存條件分析

2.1 圍巖強度原位測試

根據鉆孔原位觸探測試結果能夠看出S5砂巖的強度為54.1～80.1MPa，頂板粉砂質泥巖的強度集中在21.8～33.91MPa；2#煤層完整性較好，平均強度為21.3MPa，為中硬煤層；頂板砂質泥巖平均強度為28.1～31.5MPa，節理裂隙較為發育，巖層局部破碎。

2.2 地應力場原位測試

通過井下水壓致裂地應力的測量方法對巷道圍巖地應力場進行原位測試。根據測試結果能夠得出2#煤巷道圍巖的最小水平主應力的范圍為3.15～4.95MPa，最大水平主應力范圍為5.68～6.41MPa，垂直主應力范圍為 4.12～4.19MPa，故能夠判斷出巷道處于低值應力場區。應力場的類型以σH型、σHV型為主，最大主應力的方向集中在N49.6°～66.7°W之間。

2.3 巷道圍巖可錨性評價

在近距離煤層上覆02#煤層回采動壓的影響下，造成02#煤底板一定深度的圍巖結構破碎，且出現局部02#煤采空區積水下滲，從而降低了2#煤層巷道頂板圍巖錨桿的錨固效果及巖層的承載能力。根據錨桿支護技術規范[3]，現場對2#煤巷道頂板巖層及幫部煤體進行可錨性進行測試，測試結果見表1。

表1 近距離煤層采空區下2#煤圍巖可錨性試驗結果

根據可錨性測試結果能夠得出以下結論：①錨桿（索）的拉拔力受到錨固長度的影響顯著。在巷道圍巖較完整時，頂板使用直徑為22mm螺紋鋼錨桿進行加長錨固，此時錨桿的最大拉拔力大于126kN，巷幫采用直徑為18mm的圓鋼錨桿進行錨固時，最大拉拔力大于61kN，能夠滿足規范對錨桿錨固力的要求[4]；②當錨索錨固劑使用K2335+Z2360樹脂藥卷進行錨固時，巷道頂板錨索的最大拉拔力均大于180kN，在巷道圍巖條件發生變化時，會使錨索錨固效果下降，此時應對錨固參數進行及時調整，保證錨索的最大拉拔力滿足設計要求。

3 巷道支護設計與效果分析

3.1 巷道支護方案

根據2#煤的生產地質條件、地質力學測試結果及巷道圍巖的可錨性試驗結果能夠得出12509工作面皮帶巷可選用錨桿、錨索對巷道進行支護，在運用錨桿（索）支護方式控制巷道圍巖變形時應充分考慮以下原則：①巷道開挖后，應采用主動的支護的方式控制圍巖變形。當巷道圍巖較破碎時及時采取主動支護的方式來防止巷道開挖后圍巖進一步破碎變形，減小巷道的空頂、空幫時間；②在對錨桿施加預緊力時，應充分考慮預應力的擴散原則，合理的施加預緊力，只有施加了合理的錨桿預緊力才能充分發揮錨桿的支護作用，提高圍巖的承載能力[5,6]；③通過對巷道錨桿的拉拔力試驗來判斷圍巖的可錨性，根據試驗結果對錨固參數進行優化。

由于2#煤層距上覆02#煤層采空區的距離較短且變化幅度大，并根據上述錨桿支護的原則，通過運用FLAC3D數值模擬軟件對采用不同支護形式時巷道圍巖的應力及塑性區域的進行分析，根據模擬結果并結合巷道頂板與上覆采空區厚度的變化，確定對12509工作面采取三種支護手段，分別如下：

1）在02#煤與2#煤間距大于5.3m時，選用Φ20mm×2000mm螺紋鋼錨桿進行支護，頂板錨桿間排距900mm×1000mm；錨索長度為5.3m，錨索間排距1.8m×3.0m，頂板錨固劑采用K2335+Z2360樹脂錨固劑；兩幫錨桿間排距為1000mm×1000mm，無錨索，設計錨桿預緊力不低于40kN，錨索張拉力不低于120kN。

2）當02#煤與2#煤層間距小于5.3 m時，錨索長度降為4.3m，錨桿參數不變。

3）當02#煤與2#煤層間距小于4.3m時，巷道仍采用Φ20mm×2000mm螺紋鋼錨桿進行支護。在頂板破碎時，現有錨桿支護會無法控制頂板巖層穩定，故此時需進行套棚支護，棚距1.2m，同時將錨桿間排距調整為1100mm×1200mm。

3.2 礦壓監測與支護效果分析

通過對12509工作面皮帶巷掘進與回采期間巷道表面位移、頂板離層儀及錨桿、錨索受力進行監測，用來判斷巷道圍巖的穩定性。下面分別對3項監測數據分別進行分析：

1）巷道表面位移。根據監測數據顯示：在巷道掘進期間左幫移近量為22mm，右幫移近量為8mm，頂板下沉量為16mm，底板鼓起量為8mm，頂底移近量為巷道高度的0.69%，兩幫移近量為巷道寬度的0.6%，根據巷道表面位移數據得出支護后巷道整體變形量較小，在與掘進迎頭距離大于100m后巷道基本無變形，處于穩定狀態；12509工作面回采期間，頂底板移近量為162mm，其中底鼓量為142mm，兩幫移近量為118mm，其中煤柱幫位移量為82mm，12509工作面皮帶巷掘進與回采期間巷道表面位移監測曲線如圖2所示。從監測曲線中能夠得出在12509工作面回采期間，為保證回采安全，12509工作面皮帶巷應對超前工作面35m范圍內的圍巖進行加固處理。

圖2 12509工作面皮帶巷表面位移監測曲線

2）頂板離層狀態。根據12509工作面巷道頂板離層儀數據顯示，深部基點離層為0，淺部基點離層為0.3mm。故巷道頂板無離層現象出現。

圖3 錨桿、錨索受力狀態監測

3）錨桿、錨索受力監測。通過對巷道頂板錨（索）的受力狀態進行持續60d的監測，將所得數據繪制成曲線，如圖3所示。從曲線圖中能夠看出錨桿受力值基本集中在20～30kN，錨桿施加的初始預緊力均大于40KN；錨索受力值基本集中在76～84kN，故根據錨桿、錨索監測期間的受力狀態可知，大部分錨桿、錨索的受力值均小于設定值，錨桿（索）處于穩定狀態，故由此可知設計支護參數較為合理。

4 結 論

1）在對12509工作面回采巷道圍巖進行地質力學及可錨性能判斷的基礎上，對采用錨桿（索）支護技術控制近距離煤層采空區下巷道圍巖變形的方案進行論證。由巷道圍巖應力與賦存條件測試得知2#煤層回采巷道處于低值應力場區域，巷道頂板巖層結構受到上覆煤層的采動影響較大，圍巖變化程度較大。

2）根據2#煤層頂板與02#煤層采空區之間厚度的變化情況采用多種支護方式進行結合，來控制近距離煤層采空區下巷道的圍巖穩定。

3）根據對12509工作面皮帶巷掘巷與回采期間的礦壓監測數據得出現有支護設計參數能夠保證巷道圍巖穩定，在12509工作面回采期間，為保證回采安全，需對超前工作面35m范圍的圍巖進行加固處理。