木瓜礦近距離煤層采空區下巷道支護技術應用

任成龍

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司 木瓜煤礦，山西 方山 033100）

木瓜礦位于霍西煤田的西南部，所采煤層賦存于二疊系下統山西組和石炭系上統太原組，目前主采煤層為10 煤和9 煤，其中9 煤位于10 煤上部，10 煤與9 煤的煤層間距為2.5 ～4.8 m，最小層間距僅為2.2 m。目前9 煤層均已回采結束，10-102 巷道在9 煤層采空區下掘進。通過分析地質報告發現，10-102 巷道圍巖局部存在破碎帶且節理較為發育，其圍巖結構在上覆采動影響作用下破壞較為明顯[1]。目前近距離煤層采空區下巷道支護常采用“錨網(索)+工字鋼對棚”聯合支護的形式[2]，盡管這種方法支護強度較高，可滿足生產需要。但因施工繁瑣且成本較高，經濟價值較低[3]。鑒于此，本文提出采用樹脂錨桿加長錨固錨索網聯合支護的支護形式，達到近距離煤層采空區下安全掘進的目的[4]。

1 概 況

木瓜礦10-102 工作面開采標高為+184—+214 m，工作面走向長1 500 m，傾向長240 m，10-102巷道沿10 煤層底板掘進，10 煤層厚度為2.52～4.8 m，平均厚度4.2 m，傾角為2.0°～10°，煤層頂底板為泥巖、砂質泥巖、粉砂巖，結構松軟、強度較低，遇水易崩解。工作面回采期間最大空頂距2.7 m，最小空頂距0.5 m，工作面布置如圖1 所示。10 煤頂板泥巖厚度0.9～1.5 m，砂質泥巖厚度0.2～0.4 m；底板主要為粉砂巖，含較多植物莖化石碎片，平均厚度4.2 m。

圖1 10- 102 工作面布置示意Fig.1 Layout of 10-102 working face

2 巷道圍巖應力測試與可錨性評價

2.1 地應力測試

采用水壓致裂法對10-102 工作面回采巷道圍巖進行地應力測試可知，巷道圍巖最小水平應為3.05～4.73 MPa，最大水平應力為4.66～6.13 MPa，垂直主應力為4.08～4.18 MPa，主應力方向集中在N48.4°～64.3°W，工作面回采巷道一直處于低應力場區。

2.2 巷道圍巖強度測試

在實驗室制作直徑為50 mm、高100 mm 的圓柱形標準試件和邊長50 mm、高100 mm 長方體標準試件，采用YES-200 型數顯單軸壓縮試驗機進行強度試驗，強度測試結果顯示，頂板中砂質泥巖的抗壓強度為20.4～32.3 MPa，粉砂巖的抗壓強度為52.2～76.4 MPa，10 號煤層根據其強度劃分為中硬煤層。

2.3 圍巖可錨性評價

通過對圍巖結構觀測發現，由于受到煤層采動影響，使得10 煤和9 煤層間圍巖結構破壞，且因9 煤層局部采空區積水下滲，造成10-102 掘進工作面頂板圍巖軟化，削弱了錨桿支護效果。根據煤礦巷道的支護技術規范要求[5]，對10-102 巷道圍巖進行可錨性現場測試，結果見表1。

表1 圍巖可錨性現場測試結果Table 1 Field test results of anchor ability of surrounding rock

（1） 錨固長度對巷道圍巖拉拔力作用顯著，巷道頂板采用直徑為22 mm 的螺紋鋼錨桿時，最大拉拔力可達133.4 kN，平均值為128.5 kN；幫部采用直徑為18 mm 的圓鋼錨桿時，最大拉拔力可達66.2 kN，平均值為63.4 kN，根據技術規范滿足其支護強度要求。

（2） 樹脂錨固數量對拉拔力效果不同，當采用 Z2360（2 支） +K2335（1 支） 的時候，拉拔力的最大值可達194.5 kN，平均值為190.5 kN。當采用 Z2360（1 支） +K2335（1 支） 的時候，拉拔力的最大值可達133.4 kN，平均值為128.5 kN。錨固劑數量不同，其產生的錨固力大小亦有差異。因此，對于巷道圍巖條件發生變化而導致錨固力不足的地段，需要及時增加錨固樹脂數量。

（3） 鉆孔淋水及部分有水的情況對錨固效果具有一定影響，且最大拉拔力與含水量和淋水狀態直接相關[6]。從表1 中可以看出，當采用Z2360（2支） +K2335（1 支） 的時候，錨桿的拉拔力最大僅為108 kN，較同等錨固劑數量條件下的支護效果差。因此，在巷道周邊圍巖含水段可采取導水措施并調整錨固參數來增加拉拔力，保證支護效果達到技術規范要求。

3 近距離煤層巷道支護參數選取

3.1 頂錨桿長度計算。

頂錨桿長度根據普氏理論并結合工程類比可知，錨桿外露頂板長度為0.1 m，錨桿的有效長度為1.0 m，錨桿長度為：

式中：L桿為錨桿長度，m；L桿1為錨桿外露頂板長度，取0.1 m；L桿2為錨桿的有效長度，根據普氏理論計算巷頂錨桿，取1.0 m；L桿3為錨桿的錨固長度，螺紋鋼錨桿一般取0.6 ～1.0 m，頂錨桿錨固長度取0.8 m；B為頂板厚度，取4.8 m；φ為內摩擦角，取70°。

根據式（2） 計算，

頂板錨桿選擇長度為大于2 m 的左螺紋鋼錨桿可以滿足支護要求。

3.2 幫錨桿長度計算

幫錨桿支護參數需根據圍巖分類法進行計算[7]，幫錨桿伸出潛在松動圈的長度為0.4 m，幫錨桿外露長度為0.1 m，幫錨桿長度計算公式為：

式中：L1為巷道兩幫潛在松塌區寬度，m；L2為幫錨桿伸出潛在松塌區的額定錨固長度，取0.4 m；L3為幫錨桿外露長度，取0.1 m。

根據式 （4） 計算，L=L1＋L2＋L3=1.5 m，幫錨桿選擇長度為大于1.5 m 的圓鋼錨桿，可以滿足支護要求。

3.3 錨桿錨固力及間排距驗算

錨桿錨固力需和屈服載荷相匹配，與錨桿的有效長度、錨桿間排距和安全系數等有關，安全系數K 取 3，L桿2由式 （2） 得為 1.0 m，a1為錨桿間距，取0.88 m，a2為錨桿排距，取1.1 m，γ 為易冒落巖石平均重力密度，取25 kN/m3,根據木瓜礦10-102 掘進工作面巷道參數得：

根據支護參數經驗確定，頂錨桿間排距為880 mm×1 100 mm 的情況下，計算得出錨桿錨固力為72.6 kN，現場拉拔試驗采用Z2360（2支） +K2335（1 支） 的錨固劑時，拉拔力的最大值為194.5 kN。同理計算得到，當幫錨桿間排距為1 200 mm×1 100 mm 時，幫錨桿錨固力確定為48 kN，現場拉拔力試驗采用Z2360（1 支） 錨固劑的時候，拉拔力的最大值可達66.2 kN，可以滿足支護強度要求。

4 不同參數條件下巷道支護方案

因10-102 工作面距離上覆9 煤層采空區較近，在巷道掘進期間需要根據不同的間距及時調整支護參數，以下部分將借助FLAC3D 數值模擬軟件對巷道開挖、支護后的巷道周邊圍巖應力、應變情況進行分析，其模擬結果如圖2 所示。

圖2 10- 102 工作面模擬過程Fig.2 Simulation of 10-102 working face

通過模擬可知，當分別采用普通錨桿支護、加長錨桿支護和錨桿樹脂加長錨固錨索網聯合支護時，周邊圍巖垂直應力的大小分布情況為：普通錨桿支護＞加長錨桿支護＞錨桿樹脂加長錨固錨索網聯合支護，且采用普通錨桿支護時的巷道圍巖位移變化最大，采用加長錨桿支護時次之，采用錨桿樹脂加長錨固錨索網聯合支護時的巷道圍巖位移變化最小。采用錨桿樹脂加長錨固錨索網聯合支護的支護形式，巷道圍巖變形得到了有效控制。

5 礦壓監測與支護效果評價

5.1 位移監測

10-102 工作面巷道高度為 3.5 m，通過對10-102 工作面巷道掘進以及回采期間的表面位移進行觀測，其監測結果如圖3 所示。在掘進期間，頂板下沉量為15 mm，底鼓變形量為9 mm，頂底移進量為10-102 工作面掘進高度的0.70%；兩幫移進量分別為21 mm 和7 mm，監測點在距離迎頭70～90 m 趨于穩定。

可以看出，工作面回采期間，煤柱側幫的變形量為80 mm，工作面側幫的變形量為38 mm，兩幫的最大移進量為128 mm，占兩幫移進量的66.7%；底鼓變形量為145 mm，頂沉變形量為25 mm，頂底板移進量為170 mm，占頂底板移進量的85.3%。綜合分析在距離工作面40 m 位置變形量急劇增加，為保證回采工作面的安全穩定，需在工作面前方40 m 左右的位置進行加強支護。

圖3 巷道表面位移監測曲線Fig.3 Monitoring curve of roadway surface displacement

5.2 頂板離層

采用頂板離層觀測儀對頂板離層情況進行觀測，結果顯示頂板淺部離層為0.5 mm，深部離層為零，10-102 工作面頂板圍巖趨于穩定。

5.3 錨桿、錨索受力

采用拉拔儀對錨桿、錨索的受力情況進行監測，結果如圖4 所示。錨桿的受力集中在15～30 kN，最大值為37 kN，錨索受力值在75～84 kN，受力值趨于穩定，巷道支護參數選擇較合理。

圖4 錨桿、錨索受力監測Fig.4 Force monitoring of anchor rod and anchor cable

6 結 論

（1） 當頂錨桿間排距為880 mm×1 100 mm的情況下，計算得出錨桿錨固力為72.6 kN，現場拉拔試驗采用 Z2360（2 支） +K2335（1 支） 的錨固劑時候，拉拔力的最大值可達194.5 kN。同理計算得到，當幫錨桿間排距為1 200 mm×1 100 mm時，幫錨桿錨固力為48 kN，現場拉拔力試驗采用Z2360（1 支） 錨固劑的時候，拉拔力的最大值可達66.2 kN，可滿足支護強度要求。

（2） 通過數值模擬對比驗證不同參數條件下，采用錨桿樹脂加長錨固錨索網聯合支護的支護形式，能達到全長預應力錨固的效果。工程實踐表明，錨桿樹脂加長錨固錨索網聯合支護，可實現近距離煤層采空區下巷道的圍巖變形控制。