近距離煤層開采下軟弱煤層巷道圍巖控制技術研究

李 斌

（山西平舒煤業有限公司，山西 壽陽 045400）

0 引 言

進行近距離煤層群的下層煤層開采時，受上方煤層內回采工作面殘余支承壓力，及本煤層巷道開挖的影響，在本工作面回采期間出現巷道變形速度過快，變形量很大等問題，尤其是巷道圍巖為強度很低的煤層時，巷道掘出后圍巖迅速的失穩變形，垮落嚴重，對巷道的掘進及支護非常不利，嚴重影響正常的采掘和生產。本文以某礦近距離煤層開采影響下21503工作面回風順槽圍巖控制技術為研究背景，結合其具體的地質條件，應用FLAC3D數值模擬軟件及理論分析確定具體的圍巖控制參數，通過現場工業性試驗來驗證該種方法的支護效果。

1 工程概況

試驗巷道為某礦的21503工作面，工作面井下位于5#煤層南一采區運輸大巷西側，回風順槽沿煤層頂板掘進，回風順槽東側相距40m為21502工作面的采空區，該工作面于2016年10月回采完畢；21503工作面回風順槽上方向南水平距離30m為21303工作面的采空區，工作面間垂直間距為20m，該工作面于2015年7月回采完畢。21503工作面回風順槽與采區排水巷水平距離約為20m，工作面以西全部為實體煤，巷道及工作面布置詳情如圖1所示。該工作面煤質為半亮型煤，煤層厚度2.6m～3.1m，平均約為2.7m，煤層結構復雜，含有厚度0.05～0.13m泥巖夾矸一層，煤層厚度變化較大，煤層強度系數為0.3～0.8之間，煤質較軟。

圖1 21503工作面運輸順槽位置詳情

2 圍巖穩定性分析及支護分析

2.1 巷道圍巖穩定性分析

巷道圍巖的穩定性是一個極其復雜的問題，主要影響因素為地應力的大小、巷道圍巖的性質和采動的影響[1]。下面通過這三個方面對于21503回風順槽圍巖的穩定性進行分析：

1）地應力。地應力即為我們通常所說的原始應力，包括自重應力和地質構造應力，豎直方向上的力主要由巖石自重產生，水平方向的由斷層、陷落柱等地質構造引起。地應力的大小對于巷道圍巖的穩定性具有決定性的影響，隨著埋深的增加，地應力會隨著增大，同時也會增加煤與瓦斯突出、沖擊地壓等事故的幾率和危險程度。21503工作面平均埋深為660m，垂直方向的地應力約為18.0MPa，巷道圍巖處于較大的應力狀態。并且回風順槽位于背斜兩翼，且有斷層發育，因此巷道圍巖體內水平應力也比較明顯，應力環境較復雜。

2）圍巖強度及完整性。巷道圍巖的力學性質對于巷道圍巖的穩定性具有很大的影響。當巷道開挖導致周圍煤巖體內應力大于其強度極限時，煤巖體破壞就會在圍巖內形成塑性區，并且在淺部形成一定厚度的松散破碎巖塊，巷道周圍煤巖體內破碎區和塑性區較大時，導致巷道圍巖的整體性降低，掘進和支護過程中均會面臨很大的困難。

21503回風順槽兩幫為5#煤，煤層強度系數為0.3～0.8之間，煤體硬度較小，松軟破碎，主要由塊粉煤以及少量的碎粒煤和糜棱煤組成，頂板及底板偽頂均為泥巖，存在大量的離層與裂隙，巷道圍巖整體強度偏低，表明十分松散、破碎，并且由于斷層、褶曲等構造的影響地應力較高，并且采用炮掘的施工工藝掘進，導致巷道圍巖塑性區和破碎區發育范圍將會較大，圍巖強度很低。

3）開采影響。根據21503回風順槽井下位置關系可知，其巷道圍巖同時經受了21303和21305工作面掘進及回采的影響，并且受到南一采區排水巷掘進時的影響，21503回風順槽圍巖體處于較高的地應力下，通過理論計算得該位置垂直應力為20.13MPa，應力集中系數為1.46，巷道受采動影響明顯。

2.2 自攻錨桿適用性分析

根據21503回風順槽具體的地質條件，考慮選用自攻錨桿進行巷道兩幫的支護，與常用的螺紋鋼樹脂錨桿相比，自攻錨桿有其突出的特點，在合適的情況下選用，從施工速度、支護效果、經濟效益等方面均有一定程度的提高[2～3]。

圖2 自攻錨桿受力示意圖

自攻錨桿的安裝與螺紋鋼錨桿存在較大的差異，進行自攻錨桿的安裝時，首先需在安裝位置鉆一個直徑略小于錨桿直徑的鉆孔，將自攻錨桿旋進鉆孔預緊即可，鉆孔內不需要填充錨固劑，鉆孔不需要沖孔或吹孔（這一點對軟弱破碎煤層巷道尤為重要），因此自攻錨桿安裝速度比普通錨桿快，而且是全長錨固。全長自攻錨桿在煤巖體內受力如圖2所示，相關的現場試驗表明，巷道圍巖為松軟破碎的煤體時，全長自攻錨桿的性能優于全長錨固螺紋鋼錨桿。根據以上分析，21503工作面回風巷受到臨近工作面和巷道的采掘影響，以及斷層、褶曲等地質構造的影響，巷道周圍煤巖體應力環境復雜，加之巷道頂底板及兩幫的巖石強度和完整性較低，因此21503回風順槽支護應同時考慮加強頂板和兩幫的支護。根據以往的生產經驗，在松軟破碎煤體中采用全長自攻錨桿能夠提供連續摩擦阻力，錨固性能得到充分的發揮，因此在回風順槽考慮采用全長自攻錨桿進行巷道兩幫的加固。

3 配合自攻錨桿的高強錨網索支護技術

為了確定合理的支護方案，根據21503工作面具體的地質條件，應用FLAC3D數值模擬軟件分析錨網索支護的效果，模擬的方案如下;

1）普通錨網索支護；頂板采用直徑22mm，長度2.4m的螺紋鋼錨桿，采用樹脂全長錨固，布置鋼筋網，并且使用鋼筋梯，排距0.95m，間距1.0m。錨索選用支架21.6mm，長度為6.3m的礦用錨索加強支護，排距1.5m，間距2.0m；兩幫的錨桿采用直徑為22mm，長度為2.5m的全長自攻錨桿，錨桿排距0.8m，間距1.4m，巷幫頂角、底角錨桿采用與頂板型號相同的螺紋鋼錨桿，頂板和兩幫均安裝金屬網，并安裝鋼筋梯子梁補強。

2）加強支護；將頂板錨桿排距減小為0.8m，錨索的間距減小為1.6m，其余不變。

3）加強右幫支護；在以上兩個方案的基礎上，巷道右幫保護煤柱側的錨桿長度增加到3.5m，直徑不變。

圖3 三種支護方案下巷道圍巖位移模擬結果

三種支護方案運輸順槽圍巖位移情況如圖3所示。巷道煤柱側圍巖變形范圍約為6.0m，實體煤側變形范圍為4.0m，頂板變形范圍為2.0m，底板變形范圍為3.0m，巷道圍巖主要變形區域均較小，能夠滿足圍巖控制的要求。方案二與方案一相比巷道頂板及兩幫的位移均明顯減小，方案三與方案二相比頂底板位移雖然變化不大，但是煤柱側圍巖變形量明顯減小，因此選擇方案三用于21503回風順槽的支護。

4 巷道支護方案設計

根據以上的分析，21503回風順槽斷面寬為4.4m，高為2.8m，最終設計的支護方案如下：

1）頂板采用直徑22mm，長度2.4m的螺紋鋼錨桿，采用樹脂全長錨固，布置鋼筋網，并且使用鋼筋梯，排距0.8m，間距0.95m。兩排錨桿之間布置直徑為21.6mm，長度為6.3m的鋼絞線錨索，采用“二二”布置，錨索之間用1800mm鋼筋梯子梁聯結。

2）巷道左側（實體煤側）安裝直徑22mm，長度3.5m的全長自攻錨桿，巷道右側（煤柱側）安裝直徑22mm，長度2.5m的全長自攻錨桿，頂角和底角采用直徑為20mm，長度為2.4m的螺紋鋼錨桿錨桿間距和排距均為0.8m，并且分別向上和向下傾斜15°，螺紋鋼錨桿采用加長錨固。巷道支護的詳細情況如圖4所示。

圖4 回風順槽支護方案

5 支護效果分析

為了檢驗21503回風順槽支護方案的效果，對21503工作面回風順槽掘進及工作面回采過程中巷道圍巖的變形情況進行了監測。監測數據整理匯總后結果如圖5所示。

圖5 回風巷圍巖變形情況

由巷道位移情況監測結果可知，回風順槽掘進期間，巷道圍巖的變形量隨著成巷時間的增加逐漸增大，頂板及兩幫的形變集中在成巷45天內，變化趨勢基本相同，最大變形量維持在200mm以下。工作面回采期間，當與工作面距離在40m以內時，圍巖變形速率增大，最大變形量小于450mm，滿足巷道斷面的要求，綜上可知，采用配合自攻錨桿的高強錨網索支護技術取得了良好的支護效果。