近距離煤層煤柱下應力分布和巷道支護技術

王利軍，王 升

（1.山西煤炭運銷集團忻州有限公司，山西 忻州 034000；2.江西煤礦安全監察局安全技術中心，江西 南昌 330096）

1 概述

和尚嘴煤業是資源整合礦井，12-2煤層已被整合前小煤礦開采完畢，目前礦井主采14-2煤層。12-2煤層和14-2煤層層間距7.10～16.6 m，平均層間距11.64 m。14-2煤層巷道屬于近距離下煤層巷道。由于布置在采空區下，巷道掘進到12-2煤層煤柱下以及掘進離開煤柱時，巷道支護困難，部分地段巷道頂板和底板移近量1000～1500 mm，兩幫移近量巷1500～1800 mm。

以2103運輸順槽為例，在介紹其地質條件基礎上，采用數值模擬方法，分析上部煤層不同開采方式下，近距離煤層煤柱和采空區下應力分布特征。根據應力分布情況和煤柱下巷道變形特點，提出道布置在煤柱下時的巷道支護設計。礦壓監測結果表明，煤柱下巷道支護設計能很好的控制圍巖變形。

2 地質條件分析

2103運輸順槽位于和尚嘴煤業301盤區，沿14-2煤層頂板掘進，埋深243～300 m，上部12-2煤被小煤礦開采完畢，開采方式為巷采。

2103運輸順槽掘進方向右側為2102運輸順槽，凈煤柱20 m，工作面已采完2年，左側為實體煤。具體位置見圖1。

圖1 2103運輸順槽及周邊平面布置

14-2煤層平均厚度1.43 m，傾角1°～4°。14-2煤層直接底為深灰色粗砂巖，石英長石為主，泥質膠結，平均厚度4.7 m；14-2煤層直接頂為深灰色細砂巖，層理發育，向上顆粒變粗為中粗砂巖，泥質膠結。12-2煤層和14-2煤層平均層間距11.64 m。再往上為12-2煤層，平均厚度3.14 m。12-2煤層之上為中、細砂巖和灰色砂質巖，致密堅硬，塊狀構造，平均厚度14.44 m。圍巖綜合柱狀見圖2。

為更好的分析把握頂板巖層條件和圍巖強度，在2103運輸順槽開口28 m位置進行了頂板0～8.6 m范圍內的巖層結構窺視和強度測試，頂板窺視圖見圖3。同時在幫部對煤體強度進行了測試。

圖2 2103運輸順槽圍巖綜合柱狀

圖3 2103運輸順槽頂板鉆孔結構窺視

由圖3可知，頂板0～6.3 m為砂巖，泥巖夾層較多，0～3.8 m巖層比較完整，4.2～5.6 m裂隙發育；6.3～8.6 m為泥巖，6.3～6.8 m局部有軟弱夾層，6.8～8.6 m巖層較完整，7.2 m處有一裂隙。

分析窺視結果可知，14-2煤層直接頂為砂巖，雖然泥巖夾層較多但保持較好的完整性，在錨桿支護范圍基本沒有裂隙，有利于錨桿預緊力和支護阻力擴散；4.2～5.6 m巖層裂隙較發育，有可能影響錨索錨固力，錨索錨固端應避開此段巖層。

采用WQCZ-56型圍巖強度測試儀器，在巷道頂板鉆孔以及幫部鉆孔內對圍巖強度進行了測試，測試表明,頂板巖層0～5.6 m強度較高，平均值為55.46 MPa；5.6～8.8 m強度較低，平均值為27.28 MPa。幫部煤體強度平均值為13.72 MPa。

綜合分析2103運輸順槽地質和生產條件，其最大埋藏深度為300 m，屬低應力區；頂板巖層僅局部有破碎現象；頂板巖層和幫部煤層強度均較高。頂幫巖層條件較好，預計可以采用高強度錨桿錨索支護。2103運輸順槽臨近本煤層采空區，穩定時間3年以上，凈煤柱20 m。上部12-2煤層預計為不規則開采，需采用數值模擬分析上部煤層開采后采空區和煤柱下應力分布情況，為煤柱下巷道支護設計提供依據。

3 近距離下部煤層巷道應力分布數值模擬研究

采用FLAC3D數值計算軟件模擬上部煤層被小煤礦巷采和長壁開采兩種情況時下部煤層圍巖應力分布情況。

根據2103運輸順槽的實際地質條件進行數值建模。上部煤層被小煤礦巷采后塑性區和垂直應力分布情況見圖4和圖5，上部煤層長壁開采后圍巖的垂直應力分布情況見圖6。

圖4 上部煤層巷采后塑性區分布情況

圖5 上部煤層巷采后垂直應力分布情況

圖6 上部煤層長壁開采后垂直應力分布情況

對比圖5和圖6可知：①長壁開采煤柱下應力集中程度大于巷采，主要因為長壁開采采動范圍和頂板運動范圍更大；②兩種開采方式下，巷道進入煤柱前2～3 m即出現應力集中，需要加強下部煤層巷道支護；③巷采條件下掘進巷道需頻繁進出煤柱，增加現場管理難度；④兩種開采條件下，采空區下垂直應力均接近為0。

4 煤柱影響下2103運輸順槽支護方式及效果分析

4.1 近距離煤柱下巷道支護特點

近距離煤柱下巷道有其典型的變形特點，歸納起來如下：

（1）變形以兩個巷幫移近為主，底板鼓起時有發生。采動應力主要表現為導致兩幫變形的垂直應力。

（2）幫部煤體一旦破碎，將發生持續變形。幫部網包嚴重。

結合高預應力錨桿支護理論和近距離煤柱下巷道應力分布情況和變形特點，認為近距離煤柱下巷道支護設計要點如下：

（1）進入煤柱前2～5 m，就必須加強支護；進入煤柱后，應力集中更加明顯，支護強度應高于正常段；

（2）幫部煤體一旦破碎，將發生持續變形。幫部必須加大護表構件面積；

（3）對錨桿錨索施加高預緊力，更好地約束頂幫圍巖變形，真正實現錨桿錨索的主動支護。同時，錨桿錨索及其構件承載力必須相互配套。

4.2 2103運輸順槽支護設計

2103運輸順槽沿14-2煤層頂板掘進，斷面為矩形，掘進高度2.3 m，寬度4.5 m，掘進斷面積為10.35 m2。使用高預應力錨桿、錨索，采用錨網與錨索聯合支護。

(1)頂板支護

錨桿形式和規格： 桿體為直徑20 mm左旋無縱筋螺紋鋼，屈服載荷105 kN，長度1800 mm。

錨桿配件：采用高強度錨桿螺母M22，托板采用方形帶拱托板，配套調心球墊和1010尼龍墊圈，托板尺寸為150 mm×150 mm×8 mm，托板高度不低于34 mm。

錨固方式：樹脂加長錨固，采用兩支不同型號的樹脂錨固劑，一支規格為CK2335，另一支規格為Z2360，鉆頭直徑為28 mm。

采用W鋼帶護頂： 規格為厚度3 mm，寬280 mm，長度4300 mm，孔間距1000 mm。

頂板網片規格：采用10#鐵絲編織的菱形金屬網護頂，網片規格4700 mm×1100 mm，網孔規格50 mm×50 mm。

錨桿布置：錨桿排距1000 mm，每排5根錨桿，間距1000 mm。

錨桿預緊扭矩不低于300 N·m。

錨桿全部垂直于頂板進行安裝，考慮到施工需要，允許5°誤差。

錨索形式和規格：錨索材料為17.8 mm，17股預應力鋼絞線，長度7300 mm，鉆頭直徑28 mm，采用三支兩種不同型號的樹脂錨固劑，兩支規格為Z2360，一支規格為CK2335。

錨索托板： 采用300 mm×300 mm×12 mm方形帶拱錨索托板，配套調心球墊。托板高度不低于58 mm。

錨索“二·二”布置，間距1800 mm，排距2000 mm。全部與巷道頂板垂直打設，錨索張拉鎖定后預緊力不低于180 kN。

(2)兩幫支護

錨桿形式和規格： 桿體為直徑20 mm左旋無縱筋螺紋鋼筋，屈服載荷105 kN，長度1800 mm。

錨桿配件：采用高強錨桿螺母M22，托板采用方形帶拱托板，配套調心球墊和1010尼龍墊圈，托板尺寸為150 mm×150 mm×8 mm，托板高度不低于34 mm。

錨固方式：樹脂加長錨固，采用一支樹脂錨固劑，規格為Z2360，鉆頭直徑為28 mm。

W鋼護板護幫：規格為厚度4 mm，寬280 mm，長度450 mm。

網片規格： 采用10#鐵絲編織的菱形金屬網護幫，網片規格2200 mm×1100 mm，網孔規格50 mm×50 mm。

錨桿布置：錨桿排距1000 mm，每幫3根錨桿，間距800 mm。

錨桿預緊扭矩不低于300 N·m。

錨桿全部垂直于巷道幫部進行安裝，允許5°誤差。

2103運輸順槽煤柱下支護斷面見圖7。

圖7 2103運輸順槽煤柱下支護斷面

4.3 支護效果分析

采用上述支護段在井下開展試驗，共計施工125 m巷道。安裝頂板離層儀和錨桿錨索測力計，試驗段掘進期間頂板離層為2～5 mm；回采期間試驗段離層為5～8 mm，可見優化后支護效果明顯。

錨桿錨索測力計數值顯示，回采前錨桿受力較為穩定；回采時超前回采面42 m錨桿受力增加，最終為60 kN，錨索受力為125 kN。

掘進期間巷道兩幫位移在5～15 mm，回采超前段兩幫變形在35～82 m，未見明顯變形。

5 結語

1）和尚嘴煤業2103運輸順槽為復雜采空區下近距離煤層巷道，根據以往經驗，煤柱下支護難度較大，容易發生明顯變形，需要對其開展專題研究。

2）在對地質條件進行充分分析的基礎上，采取計算機數值模擬法，對上部煤層不同開采方式下，煤柱和采空區下應力分布情況進行分析，得到巷采時煤柱下應力集中系數最大為5.02，煤柱下巷道支護難度明顯加大。

3）結合高預應力錨桿支護理論，結合近距離煤柱下巷道應力分布情況和變形特點，提出近距離煤柱下巷道支護設計要點，提出2103運輸順槽位于煤柱下使用高預應力錨桿、錨索，采用錨網與錨索聯合支護。礦壓監測表明，支護效果良好，圍巖變形得到有效控制。