近距离煤层采空区下回采巷道围岩控制技术研究与应用

张步元

（西山煤电马兰矿，山西 古交 030200）

0 引 言

近距离煤层下行式开采中，在上位工作面回采完毕后，会使得回采空间围岩应力重新分布，上位残留区段煤柱会形成应力集中现象，造成下位工作面的顶板结构和应力环境发生变化，从而致使近距离采空区下进行回采工作时回采巷道矿压显现更为剧烈和复杂。因此解决近距离煤层采空区下回采巷道的支护问题对矿井的安全生产具有重要意义[1,2]。本文所讨论的马兰矿12509工作面皮带巷的围岩控制问题，属于典型的近距离煤层采空区下回采巷道的围岩控制问题，论文从分析2#煤围岩应力环境与赋存条件的测试出发，根据测试结果与工作面地质条件提出根据巷道顶板与采空区间厚度的变化采用三种支护方案对近距离煤层采空区下12509工作面皮带巷进行围岩控制，并且支护方案的效果通过矿压监测数据得到了验证。

1 工程概况

马兰矿12509工作面走向长度1318m，倾斜长度为216m，所采2#煤层的均厚为2.92m，直接顶为0.70m的粉砂质泥岩，基本顶为5.67m的S5砂岩，直接底为1m的粉砂岩和0.3m的3#煤，老底为7.85m的粗砂岩，经过现场探测发现工作面顶板2#煤与02#煤之间的距离在2.5～9.0m之间，巷道沿煤层底板掘进，施工时上覆02#煤已回采完毕，具体12509工作面布置如图1所示。

图112509 工作面布置示意图

2 2#煤围岩应力环境与赋存条件分析

2.1 围岩强度原位测试

根据钻孔原位触探测试结果能够看出S5砂岩的强度为54.1～80.1MPa，顶板粉砂质泥岩的强度集中在21.8～33.91MPa；2#煤层完整性较好，平均强度为21.3MPa，为中硬煤层；顶板砂质泥岩平均强度为28.1～31.5MPa，节理裂隙较为发育，岩层局部破碎。

2.2 地应力场原位测试

通过井下水压致裂地应力的测量方法对巷道围岩地应力场进行原位测试。根据测试结果能够得出2#煤巷道围岩的最小水平主应力的范围为3.15～4.95MPa，最大水平主应力范围为5.68～6.41MPa，垂直主应力范围为 4.12～4.19MPa，故能够判断出巷道处于低值应力场区。应力场的类型以σH型、σHV型为主，最大主应力的方向集中在N49.6°～66.7°W之间。

2.3 巷道围岩可锚性评价

在近距离煤层上覆02#煤层回采动压的影响下，造成02#煤底板一定深度的围岩结构破碎，且出现局部02#煤采空区积水下渗，从而降低了2#煤层巷道顶板围岩锚杆的锚固效果及岩层的承载能力。根据锚杆支护技术规范[3]，现场对2#煤巷道顶板岩层及帮部煤体进行可锚性进行测试，测试结果见表1。

表1 近距离煤层采空区下2#煤围岩可锚性试验结果

根据可锚性测试结果能够得出以下结论：①锚杆（索）的拉拔力受到锚固长度的影响显著。在巷道围岩较完整时，顶板使用直径为22mm螺纹钢锚杆进行加长锚固，此时锚杆的最大拉拔力大于126kN，巷帮采用直径为18mm的圆钢锚杆进行锚固时，最大拉拔力大于61kN，能够满足规范对锚杆锚固力的要求[4]；②当锚索锚固剂使用K2335+Z2360树脂药卷进行锚固时，巷道顶板锚索的最大拉拔力均大于180kN，在巷道围岩条件发生变化时，会使锚索锚固效果下降，此时应对锚固参数进行及时调整，保证锚索的最大拉拔力满足设计要求。

3 巷道支护设计与效果分析

3.1 巷道支护方案

根据2#煤的生产地质条件、地质力学测试结果及巷道围岩的可锚性试验结果能够得出12509工作面皮带巷可选用锚杆、锚索对巷道进行支护，在运用锚杆（索）支护方式控制巷道围岩变形时应充分考虑以下原则：①巷道开挖后，应采用主动的支护的方式控制围岩变形。当巷道围岩较破碎时及时采取主动支护的方式来防止巷道开挖后围岩进一步破碎变形，减小巷道的空顶、空帮时间；②在对锚杆施加预紧力时，应充分考虑预应力的扩散原则，合理的施加预紧力，只有施加了合理的锚杆预紧力才能充分发挥锚杆的支护作用，提高围岩的承载能力[5,6]；③通过对巷道锚杆的拉拔力试验来判断围岩的可锚性，根据试验结果对锚固参数进行优化。

由于2#煤层距上覆02#煤层采空区的距离较短且变化幅度大，并根据上述锚杆支护的原则，通过运用FLAC3D数值模拟软件对采用不同支护形式时巷道围岩的应力及塑性区域的进行分析，根据模拟结果并结合巷道顶板与上覆采空区厚度的变化，确定对12509工作面采取三种支护手段，分别如下：

1）在02#煤与2#煤间距大于5.3m时，选用Φ20mm×2000mm螺纹钢锚杆进行支护，顶板锚杆间排距900mm×1000mm；锚索长度为5.3m，锚索间排距1.8m×3.0m，顶板锚固剂采用K2335+Z2360树脂锚固剂；两帮锚杆间排距为1000mm×1000mm，无锚索，设计锚杆预紧力不低于40kN，锚索张拉力不低于120kN。

2）当02#煤与2#煤层间距小于5.3 m时，锚索长度降为4.3m，锚杆参数不变。

3）当02#煤与2#煤层间距小于4.3m时，巷道仍采用Φ20mm×2000mm螺纹钢锚杆进行支护。在顶板破碎时，现有锚杆支护会无法控制顶板岩层稳定，故此时需进行套棚支护，棚距1.2m，同时将锚杆间排距调整为1100mm×1200mm。

3.2 矿压监测与支护效果分析

通过对12509工作面皮带巷掘进与回采期间巷道表面位移、顶板离层仪及锚杆、锚索受力进行监测，用来判断巷道围岩的稳定性。下面分别对3项监测数据分别进行分析：

1）巷道表面位移。根据监测数据显示：在巷道掘进期间左帮移近量为22mm，右帮移近量为8mm，顶板下沉量为16mm，底板鼓起量为8mm，顶底移近量为巷道高度的0.69%，两帮移近量为巷道宽度的0.6%，根据巷道表面位移数据得出支护后巷道整体变形量较小，在与掘进迎头距离大于100m后巷道基本无变形，处于稳定状态；12509工作面回采期间，顶底板移近量为162mm，其中底鼓量为142mm，两帮移近量为118mm，其中煤柱帮位移量为82mm，12509工作面皮带巷掘进与回采期间巷道表面位移监测曲线如图2所示。从监测曲线中能够得出在12509工作面回采期间，为保证回采安全，12509工作面皮带巷应对超前工作面35m范围内的围岩进行加固处理。

图2 12509工作面皮带巷表面位移监测曲线

2）顶板离层状态。根据12509工作面巷道顶板离层仪数据显示，深部基点离层为0，浅部基点离层为0.3mm。故巷道顶板无离层现象出现。

图3 锚杆、锚索受力状态监测

3）锚杆、锚索受力监测。通过对巷道顶板锚（索）的受力状态进行持续60d的监测，将所得数据绘制成曲线，如图3所示。从曲线图中能够看出锚杆受力值基本集中在20～30kN，锚杆施加的初始预紧力均大于40KN；锚索受力值基本集中在76～84kN，故根据锚杆、锚索监测期间的受力状态可知，大部分锚杆、锚索的受力值均小于设定值，锚杆（索）处于稳定状态，故由此可知设计支护参数较为合理。

4 结 论

1）在对12509工作面回采巷道围岩进行地质力学及可锚性能判断的基础上，对采用锚杆（索）支护技术控制近距离煤层采空区下巷道围岩变形的方案进行论证。由巷道围岩应力与赋存条件测试得知2#煤层回采巷道处于低值应力场区域，巷道顶板岩层结构受到上覆煤层的采动影响较大，围岩变化程度较大。

2）根据2#煤层顶板与02#煤层采空区之间厚度的变化情况采用多种支护方式进行结合，来控制近距离煤层采空区下巷道的围岩稳定。

3）根据对12509工作面皮带巷掘巷与回采期间的矿压监测数据得出现有支护设计参数能够保证巷道围岩稳定，在12509工作面回采期间，为保证回采安全，需对超前工作面35m范围的围岩进行加固处理。