采空區下覆煤層巷道穩定性分析及支護優化

李利軍

(山西焦煤 介休正益煤業有限公司， 山西 介休 032000)

對于煤層群開采，當煤層層間距較大時，上層煤開采后對下層煤的開采影響程度較小，其礦壓顯現規律、開采方法不受上部煤層開采影響，與普通單一煤層開采基本相同。但是，隨著煤層間距的減小，上下煤層開采的相互影響會逐漸增大，特別是當煤層間距很近時，下層煤開采前頂板的完整程度受上層煤開采損傷影響，其上又為上層煤開采垮落的巖石，以致下層煤開采區域的頂板結構和應力環境發生變化，受上層煤開采擾動，底板裂隙會大量發育擴展到下層煤頂板乃至煤體內，使下層煤巷道的圍巖體呈現破碎松散狀態，圍巖強度出現大幅降低，與上部煤層采空區溝通，造成工作面漏風，上層煤采空區積水會沿著底板裂隙流入下層煤巷道，回采巷道的礦山壓力顯現明顯，巷道圍巖移近量大，支護困難，工作面極易發生頂板冒漏事故[1]. 介休正益煤礦11#煤層作為已采9#煤層的下層煤，其巷道圍巖變形嚴重、支護困難。鑒于此，以該礦11#煤層為工程背景，分析采空區下覆煤層巷道圍巖力學狀態及參數，建立層狀破碎頂板巷道錨桿(索)支護力學模型，確定支護參數，提出支護優化方案，為破碎圍巖的合理有效控制提供參考。

1 工程概況

正益煤業11#煤層平均埋深100 m，平均厚度為3.19 m，平均傾角17°，與上覆已采9#煤層的平均間距為17.84 m. 煤層在井田內分布穩定，中部較薄，向四周逐漸增厚，在西北部有斷失。煤層結構簡單，一般含1～2層夾矸，以泥巖、炭質泥巖為主，夾矸總厚度平均為0.52 m. 煤層直接頂為細砂巖時，自然抗壓強度41.30 MPa，飽和抗壓強度25.76 MPa，抗拉強度1.47 MPa，抗剪強度3.14 MPa，內摩擦角22°，內聚力10.90 MPa；直接頂為砂質泥巖時，自然抗壓強度33.83 MPa，飽和抗壓強度19.61 MPa，抗拉強度1.62 MPa，抗剪強度3.92 MPa，內摩擦角29°，內聚力8.39 MPa；基本頂為石灰巖，自然抗壓強度39.60 MPa，飽和抗壓強度20.20 MPa，抗拉強度1.61 MPa，抗剪強度3.75 MPa，內摩擦角32°，內聚力7.30 MPa；煤層無直接底，基本底為石灰巖，自然抗壓強度49.75 MPa，飽和抗壓強度20.40 MPa，抗拉強度3.00 MPa，抗剪強度6.13 MPa，內摩擦角37°，內聚力11.70 MPa. 采煤工作面長80～150 m，采高3.20 m，回采巷道沿煤層底板掘進，其寬3.80 m，高2.70 m.

2 巷道圍巖狀態分析

h=0.303L0.8

根據礦井情況，L取150 m，計算得h=16.70 m，而11#煤層與9#煤層相距17.84 m，這表明9#煤層的底板破壞已基本延伸覆蓋了整個11#煤層的頂板，頂板處于破裂松散狀態。通常，破碎和極破碎巖體的強度宜依據破裂面的間距、寬度、產狀及組合，在試驗法所確定的強度基礎上進行折減，即乘以0.1～0.2的折減系數。加之礦井巖系以石灰巖層居多，可溶性的石灰巖富含地下水，水的作用軟化了巖層，使其強度進一步降低。因此，結合工程概況綜合考慮破壞帶與地下水的影響，對11#煤層頂板力學參數進行修正，結果為：抗壓強度5.99 MPa，抗拉強度0.31 MPa，抗剪強度1.54 MPa，內聚力1.77 MPa，內摩擦角28°.

選取穩定性指數N與圍巖移近量Q作為巷道圍巖穩定性的分類指標。穩定性指數N是指巷道開掘前所處位置的最大主應力和圍巖單軸抗壓強度的比值。忽略煤層的水平構造應力，則最大主應力就是垂直自重應力。由煤層埋深100 m以及其上覆巖層平均容重γ=25 kN/m3，可計算出最大主應力為2.50 MPa，取煤層頂板單軸抗壓強度5.99 MPa，則N=2.50/5.99=0.42. 圍巖移近量Q指裸巷巷道表面位移收斂量，其觀測值達到300 mm以上。可見，穩定性指數處于0.40～0.65，且圍巖移近量大于200 mm，故可判斷巷道圍巖為不穩定圍巖。

3 巷道支護的梁拱模型

因采空區下巷道頂板完整性受損，頂板力學行為既具備巖梁特征又具備冒落拱特征，即頂板呈現巖梁拱結構，見圖1.

b—巷道寬度 h—巷道高度 h1—被支護的頂梁厚度 H1—自然冒落拱拱高 a—巷幫對頂梁的支撐寬度 φ—圍巖體內摩擦角 q1—上覆巖層對頂梁的均布荷載 q2—巷幫對頂梁的均布荷載圖1 巷道頂板梁拱結構模型圖

根據巖梁的受力平衡條件可知：q2=q1(2a+b)/2a. 由材料力學理論可知，巖梁彎曲斷裂是由內力彎矩M引起的，因此需求得巖梁在外載q1和q2作用下的彎矩分布。

假設巖梁的任意截面為x，則：

3.3.2 田園生活規劃 田園生活規劃包含公共服務和社區治理。在公共服務方面應規劃建設社區服務中心，可為居民提供醫療衛生、公共教育、社會保障、技能培訓、文化體育等基本服務。針對老年人可配套養老院或設置田園生態休閑區，實現田園養老。宜可建設停車場、公廁、社區公共服務綜合信息平臺等，既方便居民生活又能實現信息共享。在社區治理方面，建立健全社區建設、運行管理、服務等制度，落實社區公共安全體系，做好突發公共安全事件的防范與處理機制，保證居民的人身和財產等安全。

將上式繪制成彎矩圖，見圖2.

圖2 頂板巖梁彎矩圖

當σ=[σ]([σ]為巖梁抗拉強度)時，可求解得：

(1)

令頂錨桿間距w1=0.85 m，則頂錨桿長度l1[3]為：l1=h1+w1=1.43+0.85=2.28 m，取2.4 m

令幫錨桿間距w2=0.80 m，則幫錨桿長度l2=a+w2=1.63+0.80=2.43 m，取2.5 m

頂錨索長度l3按自然冒落拱拱高H1確定，H1=(b+2a)/2f=4.41 m，其中f為頂板巖層平均普氏系數，取0.8；錨索間距w3取2.0 m；錨索錨固在拱外長度h2取0.5 m；錨索外露長度h3取0.2 m，則：

0.5+0.2=6.21 m，取7.0 m

4 巷道支護參數優化

綜合上述主要支護參數，結合工程經驗，提出如下回采巷道支護優化參數。支護斷面圖見圖3.

圖3 巷道支護斷面圖

1) 錨桿支護。

頂錨規格為d20 mm×2 400 mm左旋螺紋鋼錨桿，配CK2340和Z2388錨固劑各一個。頂網(網孔規格為50 mm×50 mm)為4 m×0.9 m，配備長3 600 mm、寬180 mm、厚3 mm(5孔、孔間距為850 mm、孔規格為60 mm×30 mm)的W鋼帶。采用100 mm×100 mm×8 mm×22.5 mm金屬方形墊片，錨固力≥80 kN. 頂錨桿采用“五五”布置，間排距為850 mm×800 mm.

幫錨規格為d16 mm×2 500 mm小花金屬錨桿(端頭麻花長度為200 mm，寬度為25～27 mm)，配備一卷CK2340錨固劑。幫網(網孔規格為50 mm×50 mm)2.4 m×0.9 m，配2.2 m長(3孔、孔間距為1 000 mm、孔規格為100 mm×30 mm)鋼筋梁。采用d 130 mm×8 mm×20.5 mm金屬碟形墊片，錨固力≥30 kN. 幫錨桿每幫每排“三三”布置，間排距為800 mm×800 mm，第一根幫錨桿距頂板為200 mm.

2) 錨索支護。

錨索為d17.8 mm，1×7股高強度低松弛預應力鋼絞線，長度7 000 mm，采用樹脂加長錨固，選用CK2340和Z2388樹脂錨固劑各兩根。錨索間排距2 000 mm×24 00 mm，錨索安裝在兩排錨桿間頂板中部。用300 mm×300 mm×16 mm×20.5 mm拱形高強錨索托板，托板高不低于60 mm，配調心球墊。錨索破斷載荷為160～260 kN,極限強裂度在350 kN以上。

5 巷道支護效果觀測

在回風巷內布置測點，觀測巷道頂底板和兩幫移近量，并進行頂板離層和錨桿拉力監測。頂底板移近量采用頂板動態儀觀測，兩幫移近量采用米尺觀測，頂板離層觀測采用ZBY-2型頂板離層指示儀，錨桿受力觀測采用XS-169型錨桿壓力計。觀測結果見圖4，5,6，7.

圖4 巷道頂底板移近量曲線圖

圖5 巷道兩幫縮近量曲線圖

圖6 巷道頂板離層量曲線圖

圖7 巷道支護錨桿受力曲線圖

由圖4可知，巷道頂底板移近量為25 mm，移近量在距工作面30 m以外處變化不大，在距工作面30 m以內變化明顯，移近速度明顯加快。由圖5可知，兩幫縮進量為130 mm，縮進量在距工作面40 m時開始增大，在距離工作面20 m以內達到最大。總體看，頂板累計下沉量小于50 mm，最大下沉速度未超過6 mm/d；兩幫累計收縮量小于150 mm，最大收縮速度未超過3 mm/d，說明巷道位移在可控范圍。由圖6可知，離層主要發生在頂板0～2 m，2～6 m有2 mm的輕微離層。距工作面20 m處頂板離層開始較明顯地增加，距離工作面10 m處離層達到6 mm. 由圖7可知，錨桿壓力計讀數在距工作面25 m外變化較小，但總體為增大趨勢，說明頂板有一定的下沉及離層，但尚未對錨桿產生明顯的拉伸作用，錨桿對頂板下沉和離層的抑制作用比較小；在距工作面25 m以內，錨桿壓力計讀數明顯加大，這是因為受工作面開采影響，頂板壓力顯現明顯，產生較強的下沉與離層趨勢，此時錨桿對頂板的離層產生抑制作用，故讀數增大。從錨桿壓力計讀數以及回采巷道頂板離層儀讀數綜合分析來看，頂板離層量較小，錨桿壓力計具有一定的讀數，說明錨桿(索)對頂板離層的產生和頂板下沉起到了很好的抑制作用，支護效果良好。

6 結 論

1) 計算了正益煤業11#煤層頂板因上覆煤層開采造成的破壞深度，分析了該煤層回采巷道圍巖強度弱化的原因，修正了圍巖力學參數，并以巷道圍巖收斂量和圍巖穩定性指數為指標，對巷道圍巖類別進行了判定，為錨桿支護優化提供基礎參數。

2) 構建了確定采空區下11#煤層巷道支護參數的梁拱模型，提出錨桿+錨索的支護參數優化方案，通過對支護后巷道頂底板移近量、兩幫收縮量、頂板離層及錨桿受力的觀測，證明巷道圍巖變形符合規程要求，支護效果良好。