极近距离煤层采空区下煤层巷道合理支护方案选择

刘伟杰

(晋能集团忻州有限公司,山西 忻州 034000)

极近距离煤层群由于受上层煤开采后的采动影响,上层煤开采后作用于围岩和煤柱的支撑压力会传递到下边的煤层中,导致下煤层产生应力增高区[1-2]。由于上下煤层之间距离较小,上煤层开采引起的围岩应力重新分布会对底板产生大的冲击,导致下煤层巷道顶板结构不易形成自稳结构,使巷道围岩强度降低,下煤层巷道顶板的整体性和稳定性发生破坏,从而增加了巷道支护的困难,影响巷道围岩的稳定性[3-6]。唐山沟煤矿现主采的12#煤和未采的13#煤属极近距离煤层群,采用极近距离煤层群下行开采方式。目前,12#煤开采已进入后期阶段,矿井很快将全面开采13#煤,在开采下层13#煤时,会面临上覆煤层顶板破碎巷道围岩支护困难的技术问题,如果不及时采取有效的防治技术,很有可能给矿上带来严重灾害。

1 工程地质条件

该煤矿煤层赋存条件较好,煤质较硬,矿井现主采的12#煤和未采的13#煤最小相距0.37 m,最大9.7 m,平均4.85 m,距离上位已采的11-2#煤层最小0.56 m,最大15.35 m,平均10.43 m,属极近距离煤层群,采用极近距离煤层群下行开采方式。13#

煤胶带运输大巷位于井田西部未开采的13#煤层中,将用于满足煤矿井田西部采区的通风、运煤等生产系统服务,巷道上方为即将开采完毕的12#煤层,下方为实体岩层,井田内断裂构造不发育,在井田中部揭露一条落差5 m～7 m正断层,走向NW,倾向SW,倾角75°,在井田内延伸343 m,断层对煤矿生产影响较小[7-8]。13#煤胶带运输大巷位置图见图1。

图1 13号煤胶带运输大巷位置图Fig.1 Position of the main transport roadway with belt conveyor of No.13 coal seam

2 提出支护方案

结合地质条件以及巷道所处位置的实际情况设计以下两种不同支护方案,方案一是采用锚带网+锚索支护,方案二是采用锚带网+注浆锚索+桁架组合支护。

2.1 方案一

图2是方案一巷道掘进断面支护图。

图2 方案一巷道掘进断面支护图Fig.2 Cross-sectional supporting diagram in roadway tunneling of Plan 1

1)顶板锚杆支护：从顶板起始100 mm处开始依次布置6根锚杆(800 mm×800 mm，允许偏差均为±100 mm)，锚杆长度为2 200 mm，直径为20 mm，锚杆托盘采用长宽高分别为200 mm×200 mm×10 mm的正方形托盘，使用直径为6.5 mm、长宽为70 mm×70 mm的正方形金属网配合锚杆联合支护。每根锚杆采用的树脂锚固剂为2卷Msck2360型树脂药卷(药卷的原始累加长度不少于1.0 m)。顶板左右边上两根锚杆在安装的时候要倾斜15°左右安装，锚杆的预紧力和锚固力分别不能低于50 kN和200 kN。

2)顶板锚索支护：巷道顶板采用2根预应力钢绞线锚索支护，锚索采用双托盘支护，大托盘的长宽高分别为400 mm×400 mm×12 mm ，小托盘的长宽高分别为200 mm×200 mm×10 mm，钢绞线直径为17.8 mm，长度为5 300 mm，每孔采用4卷Msck2360型树脂药卷锚固，每两排锚杆之间打两根注浆锚索，锚索间排距分别为2 000 mm和800 mm，锚索的预紧力和锚固力分别不低于100 kN和250 kN。

3)两帮支护：帮锚杆为4根直径20 mm，长度2 m的高强锚杆配合钢筋梯子梁联合支护，锚杆托盘采用长宽高分别为200 mm×200 mm×10 mm的正方形托盘。每根锚杆采用的树脂锚固剂为2卷Msck3535型树脂药卷(药卷原始累加长度不少于1.0 m)，梯子梁长度2.6 m，选用16号圆钢，锚杆间排距800 mm×800 mm，巷帮上下边上两根锚杆在安装的时候要倾斜15°左右安装。

4)顶、帮各网之间互相搭接，搭接长度不少于100 mm，并用14号铁丝绑扎牢固，绑扎间距不大于200 mm。

2.2 方案二

图3是方案二巷道掘进断面支护图。

图3 方案二巷道掘进断面支护图Fig.3 Cross-sectional Supporting diagram in roadway tunneling of plan 2

1)顶板锚杆支护：从顶板起始100 mm处开始依次布置6根锚杆(800 mm×800 mm，允许偏差均为±100 mm)，锚杆长度为2 400 mm，直径为20 mm，锚杆托盘采用长宽高分别为200 mm×200 mm×10 mm的正方形托盘，使用直径为6.5 mm、长宽为70 mm×70 mm的正方形金属网和长度为2.6 m的钢筋梯子梁配合锚杆联合支护。每根锚杆采用的树脂锚固剂为2卷Msck2360型树脂药卷(药卷的原始累加长度不少于1.0 m)。顶板左右边上两根锚杆在安装的时候要倾斜15°左右安装，锚杆的预紧力和锚固力分别不能低于50 kN和200 kN。

2)顶板锚索支护：巷道顶板采用2根预应力钢绞线注浆锚索配合桁架联合支护，锚索采用双托盘支护，大托盘的长宽高分别为400 mm×400 mm×12 mm，小托盘的长宽高分别为200 mm×200 mm×10 mm，钢绞线直径为17.8 mm，长度为6 300 mm。每孔采用4卷Msck2360型树脂药卷锚固，每两排锚杆之间打两根注浆锚索，锚索间排距分别为2 000 mm和800 mm，桁架2根锚索规格D17.8 mm×7 300 mm，分别和顶板成正负45°左右，每隔一排锚杆打一组桁架系统。锚索的预紧力和锚固力分别不低于100 kN和250 kN。

3)两帮支护：帮锚杆为4根直径20 mm，长度2 m的高强锚杆配合钢筋梯子梁联合支护，锚杆托盘采用长宽高分别为200 mm×200 mm×10 mm的正方形托盘。每根锚杆采用的树脂锚固剂为2卷Msck3535型树脂药卷(药卷原始累加长度不少于1.0 m)，梯子梁长度2.6 m，选用16号圆钢，锚杆间排距800 mm×800 mm，巷帮上下边上两根锚杆在安装的时候要倾斜15°左右安装。

4)顶、帮各网之间互相搭接，搭接长度不少于100 mm，并用14号铁丝绑扎牢固，绑扎间距不大于200 mm。

5)顶板注浆：先用树脂药卷进行端部锚固，施加一定的预紧力，然后利用中空注浆锚索进行注浆，最后进行张拉钢绞线，施加预紧力达到要求。注浆压力、渗透范围和注浆量应根据注浆实际情况现场确定。

6)喷浆封闭：喷射混凝土封闭围岩，喷层厚度100 mm～120 mm。

2.3 支护方案数值模拟比较

通过以上两方案的数值分析比较得到以下结论:

1)方案一的水平应力、切向应力集中区域比方案二大,垂直应力集中区域较小,总体比较两方案的应力集中程度相当,方案二巷道周围应力较小,约为2 MPa,方案一巷道周围应力较大,约为4 MPa。

2)方案一巷道顶、底板和两帮变形显著,方案二巷道变形量相对较小。方案一、方案二的巷道变形量如表1所示。

表1 巷道变形量Table 1 Roadway deformation

综合考虑巷道应力分布特征和巷道变形量,最终选择方案二支护参数,即采用锚带网+注浆锚索+桁架组合支护。方案二支护设计俯视图见图4。

图4 方案二巷道掘进支护断面俯视图Fig.4 Cross-sectional diagram of supporting in roadway tunneling

3 矿压观测结果与分析

通过在巷道中设置的多个矿压观测测站,对掘进期间的巷道围岩变形情况进行了观测,观测结果见图5和图6。

图5 巷道表面位移曲线Fig.5 Surface displacement curves of roadways

图6 巷道表面变形速度曲线Fig.6 Surface deformation speed curve of roadways

由图5、图6可知，巷道在掘进10 d后，巷道表面变形急剧，顶板最大下沉量达到了75 mm,两帮最大移近量达到112 mm，顶板下沉速度也比较大，其中最大值达到了13 mm/d，两帮移近速度最大值达到了25 mm/d；巷道掘进后10 d～35 d，巷道表面位移逐渐缓慢的增加，顶板和两帮的变形速度也开始减缓；巷道掘进35 d后，巷道顶板和两帮变形速度基本稳定，但是巷道表面位移仍然还有很小的变形，这是巷道煤体的蠕变特性所导致的，巷道掘进稳定后两帮最大移近量为124 mm，顶板最大下沉量为85 mm。

4 结论

1)极近距离煤层上、下煤层开采过程中相互扰动、相互影响，造成上覆煤层采空区贯通顶板破碎情况下巷道围岩支护困难，严重影响了巷道围岩的稳定性。

2)结合地质条件以及巷道所处位置的实际情况提出了两套支护方案，通过数值模拟比较和理论分析确定了最终支护方案，即采用锚带网+注浆锚索+桁架组合支护，最大程度的发挥主动作用。

3)13号煤胶带运输大巷采用锚带网+注浆锚索+桁架组合的支护技术，有效抑制了巷道变形，确保了矿井的安全高效生产，以后可在类似近距离煤层开采采空区下煤层巷道中推广应用。