近距離煤層采空區下孤島工作面運輸巷支護優化設計

朱利軍

（山西汾西礦業（集團） 有限責任公司賀西煤礦，山西 呂梁 033000）

0 引言

近距離煤層開采在目前我國煤炭開采中屬高難度開采工作，其特殊的地理構造致使在鄰近煤層開采過程中容易受到疊加應力場影響[1]。通常認定層間距在10 m 以內的煤層為近距離煤層，在開采時鄰近煤層頂底板圍巖均會發生改變，致使其發生破壞及穩定性降低等現象[2-5]。另外，近距離煤層開采時，對下煤層巷道掘進時需加強對瓦斯及上煤層采空區積水監測，確保巷道安全穩定掘進[6]。上覆采空區遺留煤柱應力集中現象會對下煤層頂板造成疊加應力顯現，圍巖變形量增大，控制難度加大，據此，張弘弦[7]針對云岡近距離煤層開采設計不同層距以避免應力集中現象。張曉良[8]針對現有近距離煤層回采巷道支護方案綜合分析，提出采用高強度錨桿、索及金屬網聯合支護方案并且成功應用于井下。石偉等[9]針對沙坪礦分煤層巷道應力集中區出現頂板下沉、幫鼓、底鼓等現象，采用“錨網噴+鋼棚+注漿補強支護”的方案，對應力集中區補強效果明顯，巷道穩定性增大。戴文祥等[10]針對塔山煤礦近距離煤層，研究上覆煤柱應力集中現象在底板傳遞特征，提出合理煤柱寬度優化設計，并采用“錨網索+鋼帶”聯合支護方式控制圍巖變形。針對近距離煤層上下分層巷道布置位置，王志強[11-13]等提出內錯、外錯布置，避免巷道處于應力集中區域，通過合理內、外錯距布置于應力降低區，保證巷道穩定。以上學者針對近距離煤層巷道合理布置位置進行優化設計，通過層間距、空間位置等綜合設計了較為完善的近距離煤層巷道位置布置方案。然而，合理優化后巷道仍會處于一定的應力擾動范圍內，因此需要針對合理布置后的巷道進行支護參數優化設計，本文根據賀西煤礦近距離煤層下分層開采時，位于采空區下孤島工作面運輸巷變形破壞，進行支護優化設計。

1 概況

1.1 地質條件

賀西煤礦位于山西省河東煤田中段，離柳礦區西南部，柳林縣城東南15 km 左右，行政區劃屬呂梁市柳林縣陳家灣鄉，位于陳家灣鄉賀家社村西部。井田東西長約4.8 km，南北寬4.6 km，面積18.908 km2。

運輸巷為矩形斷面，巷寬5.2 m，巷高3.2 m。布置于4 號煤層內，沿頂板掘進。運輸巷空間位置如圖1所示。

圖1 運輸巷空間位置示意Fig.1 Spatial location of transportation roadway

3、4 號煤層間距10 m，之間穿過砂質泥巖、中粒砂巖，含較薄夾矸，4 號煤運輸巷內錯2 倍巷寬布置于3 號煤采空區下。

1.2 巷道圍巖破壞狀況

4 號煤層在上煤層回采過程中，由于應力重新分布，致使上煤層采空區下方煤層均被塑化壓實，在回采4 號煤層時煤層松軟破碎，巷道破壞嚴重。運輸巷埋深約為435 m，其位于上煤層采空區下方，呈2 倍巷寬內錯布置，由于上煤層回采，4 號煤運輸巷掘進過程中掉皮、掉渣現象明顯，對掘進與維護造成較大阻礙。

運輸巷局部地區由于采空區劇烈來壓傳遞，導致頂板松軟破碎、錨桿索崩落，增加了維護巷道穩定的難度。由于運輸巷頂板為砂質泥巖，且位于塑化煤體上方，為4 號煤直接頂，巖性較軟，在掘進途中頂板頻發冒頂現象。

綜上，運輸巷掘進完畢且噴漿支護完畢后，局部頂板及兩幫災害頻發，變形量呈增大趨勢。

1.3 運輸巷原支護方式

頂錨桿采用φ22 mm×2 400 mmSMG500#高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，采用高強錨桿螺母M24×3，矩形布置，間距950 mm，排距1 000 mm，每排支6 根，角錨桿角度不小于75°。幫錨桿采用φ22 mm×2 400 mmSMG500#高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，采用高強錨桿螺母M24×3，矩形布置，間距850 mm，排距1 000 mm，每排左右兩幫各支護4 根，最上方1 根幫錨桿距頂板200 mm 處向上傾斜15°施工，中間2 根錨桿水平施工，最下方1 根幫錨桿距底板400 mm 處向下傾斜5°施工。錨索采用φ21.8 mm×6 300 mm（1×19股） 高強度低松弛預應力鋼絞線，間距1 200 mm、排距2 000 mm。

采用上述支護方案后，運輸巷圍巖仍發生了較為嚴重的變形，且修護困難，對圍巖穩定性控制效果欠佳。

2 運輸巷破壞情況數值模擬

2.1 建立模型

根據礦井設計資料，對賀西礦3、4 號煤層及巷道進行局部建模，模型長200 m，寬5 m，高60 m，巷道斷面為矩形，巷道穿過砂質泥巖，頂底板為砂質泥巖和泥巖。模型兩邊與底部固支，上邊界施加均布載荷，施加10.32 MPa 壓應力，側壓系數按1.2 取值，重力加速度取10 m/s2，根據賀西礦實際開采情況，模擬采空區下巷道破壞的情況，直至平衡。

2.2 初始巷道開挖分析

根據現場觀測結合數值模擬，對運輸巷開挖后破壞情況進行分析。

開挖巷道埋深為-410 m，垂直方向施加11.825 MPa 的均布載荷，水平方向施加14.19 MPa的均布載荷，施加重力場后進行開挖分析。初始開挖后巷道垂直應力分布如圖2所示，巷中垂直應力監測曲線如圖3所示，巷道圍巖塑性區破壞如圖4所示。

圖3 巷中垂直應力監測曲線Fig.3 Vertical stress monitoring curve in the middle of roadway

圖4 巷道圍巖塑性區破壞Fig.4 Plastic zone failure of roadway surrounding rock

由圖2可知，在4 號煤運輸巷掘進途中，其頂底板處于應力降低區，由于掘進受到一次擾動，且頂板巖性較軟，因此上方采空區處應力集中現象在掘進過程中會傳遞至下方運輸巷頂板。

圖2 運輸巷掘進過程垂直應力云圖Fig.2 Vertical stress cloud chart of transportation roadway in driving process

沿巷中對實體煤幫及煤柱幫20 m 范圍內監測其垂直應力分布情況，可知，實體煤側垂直應力隨深入煤體距離增大逐漸降低至接近原巖應力區，此范圍內煤體塑化程度較低；煤柱幫應力呈先降低隨后增大趨勢，自上煤層運輸巷下方與右側采空區應力疊加后開始增大。

由圖4可知，處于塑化壓實煤體內運輸巷，在開挖前已處于塑化區內，隨著巷道掘進，塑性破壞范圍進一步向頂板延展，直至上方采空區，且運輸巷右幫塑化范圍超3 m，左幫處于塑化煤體內。

2.3 破壞機理

通過數值分析及結合現場實際，導致運輸巷破壞的主要原因為3 點。①掘進前巷道空間位置處于塑化煤體內；②孤島工作面頂板采空區及右側鄰近采空區應力重新分布后部分傳遞至巷道圍巖附近，導致圍巖強度受損；③4 號煤層頂板巖性較軟，加之上方煤層回采的動壓影響，導致巷道在掘進及后期支護困難。

3 巷道支護方案對比分析

3.1 初始支護方案分析

根據礦井作業規程，運輸巷掘進后采用常規錨桿（索） 支護，錨桿采用高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨索采用高強度低松弛預應力鋼絞線。錨桿間排距950 mm×1 000 mm，錨索間排距1 200 mm×2 000 mm。由于4 號煤頂板巖性較軟，且受上覆采空區影響，當前支護方案中錨桿索預應力不足以抵御上覆巖層變形，無法形成完整支護結構。

上述支護體系中，錨桿預應力場范圍距離塑性區破壞邊界小，而錨索承載結構范圍較小，僅體現在頂板中部，對巷道兩幫圍巖變形控制效果微弱。

綜上，針對運輸巷原有支護方案進行優化設計，使其形成較完整的支護承載結構。

3.2 優化設計方案

針對賀西近距離煤層特殊環境，結合上述分析，需加強對兩幫支護，因此，在原有支護方案中，需要增加兩幫錨索，改變錨桿索間排距，增大支護構件密度。優化后支護方案如圖5所示。

圖5 優化支護方案Fig.5 Optimized support scheme

錨桿間距改為800 mm，錨索間距改為1 200 mm，排距均為1 000 mm。頂板錨桿改為7 支，角錨桿向上傾斜35°，兩幫各3 支，角錨桿均傾斜15°，頂板錨索4 支，兩幫各2 支，幫角處傾斜15°。錨桿預緊力增大至100 kN，錨索預緊力增大至200 kN。

3.3 優化設計支護方案模擬

根據前文對巷道垂直應力、最大主應力場及錨桿、索軸力分析，初始支護方案無法與圍巖形成完善的承載結構，改進后支護方案如圖6所示。

圖6 優化支護最大主應力云圖Fig.6 Cloud chart of maximum principal stress of optimized support

（1） 優化支護方案設計后，能夠形成較好的三級承載結構，有效錨固深度達4 m，較初始支護方案錨固深度增大2 m。

（2） 傾斜角錨桿、索能夠有效組合成承壓拱，增大承載結構的抗壓能力。

（3） 幫錨索及角錨索形成深層錨固區，錨固深度達7.6 m，有效控制塑化圍巖，防止塑性區深度延展。

3.4 應用效果

優化支護方案現場應用后，對巷道圍巖變形量布置測點進行監測，如圖7所示。

圖7 圍巖變形量監測Fig.7 Deformation of surrounding rock

采用優化后支護方案，對頂板及兩幫布置測點監測圍巖變形量，其中頂板變形量從峰值220 mm逐漸減小，到50 d 降低至153 mm，隨后穩定；兩幫自210 mm 開始降低，50 d 后降低至126 mm 趨于穩定。

4 結論

（1） 采用數值模擬軟件，對初始支護方案及優化后方案進行對比分析，優化后支護方案增大了有效錨固區范圍，能夠控制巷道圍巖塑性破壞。

（2） 優化后方案降低了兩幫塑化煤體延展，對頂板采空區傳遞的應力集中現象能夠起到抑制作用；控制了巷道頂板及兩幫圍巖變形量。

（3） 角錨桿、索合理角度的設計，使得深層錨索錨固區能夠穩定連接，在深部形成錨固區。