煤柱底板巷道圍巖力學分析及控制技術研究

孫建俊

（山西臨縣西山晟聚煤業(yè)有限公司，山西 呂梁 033299）

近距離煤層開采，由于兩煤層間距較小，使得煤層間開采的相互擾動較大，上層煤開采使得煤巖體應力重新分布，布置在煤柱下方的巷道受煤柱高支承壓力的作用，礦山壓力顯現(xiàn)明顯，會出現(xiàn)較大的巷道圍巖變形，巷道必須經(jīng)多次修補才能滿足生產(chǎn)要求，因此，對煤柱底板巷道的變形控制極為重要。

本文以西山晟聚煤業(yè)29102副巷為工程研究背景，分析煤柱底板巷道圍巖的力學效應，并提出相應的控制技術，為相似巷道的支護設計提供借鑒。

1 工程概況

西山晟聚煤業(yè)公司隸屬山西焦煤集團，位于山西省臨縣，井田面積2.82km2，核定生產(chǎn)能力60萬t/a，主要開采8#和9#煤層。8#煤層平均埋深144m，厚度平均3.3m，平均傾角6°，采用走向長壁一次采全高采煤法，區(qū)段間留設煤柱寬度為20m。9#煤層平均埋深151m，厚度3.9～4.6m，平均4.0m，直接頂以泥巖為主，上距8#煤層平均約7.0m，底板為砂質(zhì)泥巖。29102副巷長499m，斷面尺寸為4.0m×3.3m的直墻半圓拱形，采用U36型鋼棚噴漿支護，支架排距550mm，該巷位置如圖1所示。

圖1 29102副巷示意圖

29102副巷受上層煤柱高支承壓力的影響，采用原支護方案巷道頂板出現(xiàn)較大沉降，底板隆起、兩幫收斂嚴重，部分鋼棚支架出現(xiàn)扭曲變形、尖頂變形甚至斷折等現(xiàn)象，支承作用弱化甚至失效，巷道變形如圖2所示。為滿足工作面生產(chǎn)條件，需要對29102副巷進行修復。

圖2 巷道變形

2 煤柱底板巷道圍巖力學分析

2.1 底板應力分析

上層煤開采改變了采場圍巖應力平衡狀態(tài)，導致其內(nèi)部應力重新分布。受上煤層采掘后工作面超前支承壓力、采空區(qū)垮落矸石及殘留煤柱荷載的共同影響，近距離下位煤層巷道圍巖應力狀態(tài)與單一煤層相比存在極大差異，因此需要對煤柱下底板的應力分布進行分析。

依據(jù)彈性力學解析，假設均質(zhì)巖（煤）體受垂直集中力F的作用，如圖3（a）所示，彈性半無限體中的任意點的應力分量σx、σy和τxy分別表示為：

圖3 巖體受荷載作用

應用疊加原理將式（1）進行推廣，寬度為L的均質(zhì)巖（煤）體受均布荷載q的作用，如圖3（b）所示，巖體內(nèi)任意點的應力分量σx、σy和τxy分別表示為：

為分析9#煤層應力分布規(guī)律，假設煤柱受均布荷載作用，并依據(jù)該礦上層8#煤層留設煤柱L寬20m，繪制9#煤層應力分布曲線，如圖4?？芍好褐行牡拇怪薄⑺綉_到峰值，且均隨距煤柱中心距離的增大而減小，當距煤柱中心大于10m，即位于采空區(qū)后，應力急劇減小；剪切應力在煤柱中心近乎為0，在煤柱邊緣10m處最大；巷道距煤柱越遠，應力越小，整體穩(wěn)定性越高。

圖4 9#煤層應力分布曲線

2.2 底板破壞厚度分析

煤層開采后，巷道底板巖體承受極大支承壓力，發(fā)生塑性變形甚至破壞，底板巖體應力分布不均勻，出現(xiàn)極限塑性區(qū)，劃分為主動應力區(qū)Ⅰ、過渡區(qū)Ⅱ、被動應力區(qū)Ⅲ，如圖5。主動應力區(qū)巖體受上方垂直荷載作用壓縮變形，應力傳遞到過渡區(qū)，過渡區(qū)巖體繼續(xù)壓縮變形，再次傳遞到被動應力區(qū)，影響巷道的穩(wěn)定性。因此對煤層開采對底板破壞厚度進行計算。

圖5 極限塑性區(qū)分布

根據(jù)極限平衡理論，并依據(jù)摩爾-庫倫準則，煤柱塑性區(qū)寬度L的表達式為：

式中：

M-煤層開采厚度，m；

λ-側(cè)壓力系數(shù)；

φ-內(nèi)摩擦角，°；

k-應力集中系數(shù)；

γ-巖體重度，kN/m3；

H-煤層埋深，m；

C-粘聚力，MPa。

在距巷道底板一定深度范圍內(nèi)，巖體產(chǎn)生塑性變形，部分發(fā)生破壞，在支承壓力作用下底板破壞厚度h的表達式為：

根據(jù)晟聚煤業(yè)的地質(zhì)概況，8#煤層平均埋深為144m，開采厚度約3.3m，側(cè)壓系數(shù)取為1.2，應力集中系數(shù)取3.0，底板巖體粘聚力為1.0MPa，內(nèi)摩擦角為25°，重度為25kN/m3，代入式（3）、（4）中，得到煤柱底板破壞厚度h為7.98m。根據(jù)計算結(jié)果可知，29102副巷處于上層采煤工作面底板破壞范圍之內(nèi)，巷道圍巖的穩(wěn)定性較差。

3 圍巖變形控制研究

依據(jù)公式推算出的底板最大破壞深度7.98m，大于8#、9#煤層間泥巖7.0m的平均厚度。上層煤開采對下層巖煤體的影響極大，底板受采空區(qū)垮落矸石和殘留煤柱的影響產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，從而對下層煤的頂板應力場產(chǎn)生擾動，使其在開采前便存在結(jié)構損傷、裂隙等不穩(wěn)定狀態(tài)，繼而對布置在煤柱下部巷道的支護結(jié)構產(chǎn)生極大危害。因為上層煤柱受較高的支承壓力，使得下層巷道圍巖存在較大的垂直應力，導致底板出現(xiàn)明顯隆起，成為巷道圍巖最薄弱部位，同時也將其不穩(wěn)定性傳遞給頂板、兩幫，造成巷道整體的大變形破壞。因此，需要在對底板進行加固的基礎上，同時對頂板和兩幫的支護進行加固，形成環(huán)形整體支護結(jié)構。

依據(jù)29102副巷圍巖特性及變形破壞情況，提出“U型鋼棚+錨索+底板錨網(wǎng)索”的環(huán)形整體支護結(jié)構，如圖6所示。具體技術方案如下：

（1）U型鋼棚。采用U36型鋼棚進行頂板支護，支架排距500mm，支架安裝完成后由下向上在巷道表面噴涂混凝土，強度不低于C20，厚度為40mm±5mm。

（2）錨索。采用規(guī)格為Φ17.8×6300mm的錨索對U型鋼棚支架進行加固，間、排距為1000×1000mm，每排布置6根，錨索梁采用12#槽鋼連接，錨索預緊力不小于150kN，采用錨固劑K2335兩支，并配300×300×16mm托盤。

（3）底板錨網(wǎng)索。底板支護采用規(guī)格為Φ22×3000mm的左旋螺紋鋼錨桿，間、排距為800×800mm，每排5根，配備Φ16×6000-80-6金屬鋼筋梁，并掛金屬菱形網(wǎng)，采用K3252樹脂錨固劑兩支，預緊力不小于200kN；采用規(guī)格為Φ17.8×5000mm錨索，間、排距為800×1000mm，每排平行布置3根，錨索梁采用12#槽鋼連接，預緊力不小于100kN，采用錨固劑K2350兩支，并配300×300×16mm托盤。

圖6 巷道支護斷面圖

4 工程實踐

為評估煤柱底板巷道環(huán)形整體支護結(jié)構的支護效果，采用“十字布點法”在29102副巷布置測點對巷道圍巖變形進行現(xiàn)場監(jiān)測，并繪制位移曲線，如圖7所示。

通過分析可知，在工作面開采60d內(nèi)，巷道兩幫位移和頂?shù)装逦灰凭尸F(xiàn)變形劇烈、變形減緩、變形穩(wěn)定三個階段。在變形穩(wěn)定后兩幫最大變形為56mm，頂?shù)装遄畲笞冃螢?2mm。可以看出，采用“U型鋼棚+錨索+底板錨網(wǎng)索”的環(huán)形整體支護結(jié)構，巷道總體變形量較小，該控制措施可以有效減小煤柱底板巷道圍巖變形，提高穩(wěn)定性。

圖7 巷道圍巖位移曲線

5 結(jié)論

（1）對煤柱底板巷道圍巖應力進行分析：煤柱中心處的垂直、水平應力均達到峰值，且均隨距煤柱中心距離的增大而減?。患羟袘υ诿褐行慕鯙?，在煤柱邊緣10m處最大；

（2）下層巷道水平距上位煤層留設煤柱越遠，應力越小，巷道整體穩(wěn)定性越高；

（3）工程實踐表明，采用“U型鋼棚+錨索+底板錨網(wǎng)索”的環(huán)形整體支護方案，可以較好地控制煤柱底板巷道圍巖變形，提高穩(wěn)定性。