近距离煤层开采下软弱煤层巷道围岩控制技术研究

李 斌

（山西平舒煤业有限公司，山西 寿阳 045400）

0 引 言

进行近距离煤层群的下层煤层开采时，受上方煤层内回采工作面残余支承压力，及本煤层巷道开挖的影响，在本工作面回采期间出现巷道变形速度过快，变形量很大等问题，尤其是巷道围岩为强度很低的煤层时，巷道掘出后围岩迅速的失稳变形，垮落严重，对巷道的掘进及支护非常不利，严重影响正常的采掘和生产。本文以某矿近距离煤层开采影响下21503工作面回风顺槽围岩控制技术为研究背景，结合其具体的地质条件，应用FLAC3D数值模拟软件及理论分析确定具体的围岩控制参数，通过现场工业性试验来验证该种方法的支护效果。

1 工程概况

试验巷道为某矿的21503工作面，工作面井下位于5#煤层南一采区运输大巷西侧，回风顺槽沿煤层顶板掘进，回风顺槽东侧相距40m为21502工作面的采空区，该工作面于2016年10月回采完毕；21503工作面回风顺槽上方向南水平距离30m为21303工作面的采空区，工作面间垂直间距为20m，该工作面于2015年7月回采完毕。21503工作面回风顺槽与采区排水巷水平距离约为20m，工作面以西全部为实体煤，巷道及工作面布置详情如图1所示。该工作面煤质为半亮型煤，煤层厚度2.6m～3.1m，平均约为2.7m，煤层结构复杂，含有厚度0.05～0.13m泥岩夹矸一层，煤层厚度变化较大，煤层强度系数为0.3～0.8之间，煤质较软。

图1 21503工作面运输顺槽位置详情

2 围岩稳定性分析及支护分析

2.1 巷道围岩稳定性分析

巷道围岩的稳定性是一个极其复杂的问题，主要影响因素为地应力的大小、巷道围岩的性质和采动的影响[1]。下面通过这三个方面对于21503回风顺槽围岩的稳定性进行分析：

1）地应力。地应力即为我们通常所说的原始应力，包括自重应力和地质构造应力，竖直方向上的力主要由岩石自重产生，水平方向的由断层、陷落柱等地质构造引起。地应力的大小对于巷道围岩的稳定性具有决定性的影响，随着埋深的增加，地应力会随着增大，同时也会增加煤与瓦斯突出、冲击地压等事故的几率和危险程度。21503工作面平均埋深为660m，垂直方向的地应力约为18.0MPa，巷道围岩处于较大的应力状态。并且回风顺槽位于背斜两翼，且有断层发育，因此巷道围岩体内水平应力也比较明显，应力环境较复杂。

2）围岩强度及完整性。巷道围岩的力学性质对于巷道围岩的稳定性具有很大的影响。当巷道开挖导致周围煤岩体内应力大于其强度极限时，煤岩体破坏就会在围岩内形成塑性区，并且在浅部形成一定厚度的松散破碎岩块，巷道周围煤岩体内破碎区和塑性区较大时，导致巷道围岩的整体性降低，掘进和支护过程中均会面临很大的困难。

21503回风顺槽两帮为5#煤，煤层强度系数为0.3～0.8之间，煤体硬度较小，松软破碎，主要由块粉煤以及少量的碎粒煤和糜棱煤组成，顶板及底板伪顶均为泥岩，存在大量的离层与裂隙，巷道围岩整体强度偏低，表明十分松散、破碎，并且由于断层、褶曲等构造的影响地应力较高，并且采用炮掘的施工工艺掘进，导致巷道围岩塑性区和破碎区发育范围将会较大，围岩强度很低。

3）开采影响。根据21503回风顺槽井下位置关系可知，其巷道围岩同时经受了21303和21305工作面掘进及回采的影响，并且受到南一采区排水巷掘进时的影响，21503回风顺槽围岩体处于较高的地应力下，通过理论计算得该位置垂直应力为20.13MPa，应力集中系数为1.46，巷道受采动影响明显。

2.2 自攻锚杆适用性分析

根据21503回风顺槽具体的地质条件，考虑选用自攻锚杆进行巷道两帮的支护，与常用的螺纹钢树脂锚杆相比，自攻锚杆有其突出的特点，在合适的情况下选用，从施工速度、支护效果、经济效益等方面均有一定程度的提高[2～3]。

图2 自攻锚杆受力示意图

自攻锚杆的安装与螺纹钢锚杆存在较大的差异，进行自攻锚杆的安装时，首先需在安装位置钻一个直径略小于锚杆直径的钻孔，将自攻锚杆旋进钻孔预紧即可，钻孔内不需要填充锚固剂，钻孔不需要冲孔或吹孔（这一点对软弱破碎煤层巷道尤为重要），因此自攻锚杆安装速度比普通锚杆快，而且是全长锚固。全长自攻锚杆在煤岩体内受力如图2所示，相关的现场试验表明，巷道围岩为松软破碎的煤体时，全长自攻锚杆的性能优于全长锚固螺纹钢锚杆。根据以上分析，21503工作面回风巷受到临近工作面和巷道的采掘影响，以及断层、褶曲等地质构造的影响，巷道周围煤岩体应力环境复杂，加之巷道顶底板及两帮的岩石强度和完整性较低，因此21503回风顺槽支护应同时考虑加强顶板和两帮的支护。根据以往的生产经验，在松软破碎煤体中采用全长自攻锚杆能够提供连续摩擦阻力，锚固性能得到充分的发挥，因此在回风顺槽考虑采用全长自攻锚杆进行巷道两帮的加固。

3 配合自攻锚杆的高强锚网索支护技术

为了确定合理的支护方案，根据21503工作面具体的地质条件，应用FLAC3D数值模拟软件分析锚网索支护的效果，模拟的方案如下;

1）普通锚网索支护；顶板采用直径22mm，长度2.4m的螺纹钢锚杆，采用树脂全长锚固，布置钢筋网，并且使用钢筋梯，排距0.95m，间距1.0m。锚索选用支架21.6mm，长度为6.3m的矿用锚索加强支护，排距1.5m，间距2.0m；两帮的锚杆采用直径为22mm，长度为2.5m的全长自攻锚杆，锚杆排距0.8m，间距1.4m，巷帮顶角、底角锚杆采用与顶板型号相同的螺纹钢锚杆，顶板和两帮均安装金属网，并安装钢筋梯子梁补强。

2）加强支护；将顶板锚杆排距减小为0.8m，锚索的间距减小为1.6m，其余不变。

3）加强右帮支护；在以上两个方案的基础上，巷道右帮保护煤柱侧的锚杆长度增加到3.5m，直径不变。

图3 三种支护方案下巷道围岩位移模拟结果

三种支护方案运输顺槽围岩位移情况如图3所示。巷道煤柱侧围岩变形范围约为6.0m，实体煤侧变形范围为4.0m，顶板变形范围为2.0m，底板变形范围为3.0m，巷道围岩主要变形区域均较小，能够满足围岩控制的要求。方案二与方案一相比巷道顶板及两帮的位移均明显减小，方案三与方案二相比顶底板位移虽然变化不大，但是煤柱侧围岩变形量明显减小，因此选择方案三用于21503回风顺槽的支护。

4 巷道支护方案设计

根据以上的分析，21503回风顺槽断面宽为4.4m，高为2.8m，最终设计的支护方案如下：

1）顶板采用直径22mm，长度2.4m的螺纹钢锚杆，采用树脂全长锚固，布置钢筋网，并且使用钢筋梯，排距0.8m，间距0.95m。两排锚杆之间布置直径为21.6mm，长度为6.3m的钢绞线锚索，采用“二二”布置，锚索之间用1800mm钢筋梯子梁联结。

2）巷道左侧（实体煤侧）安装直径22mm，长度3.5m的全长自攻锚杆，巷道右侧（煤柱侧）安装直径22mm，长度2.5m的全长自攻锚杆，顶角和底角采用直径为20mm，长度为2.4m的螺纹钢锚杆锚杆间距和排距均为0.8m，并且分别向上和向下倾斜15°，螺纹钢锚杆采用加长锚固。巷道支护的详细情况如图4所示。

图4 回风顺槽支护方案

5 支护效果分析

为了检验21503回风顺槽支护方案的效果，对21503工作面回风顺槽掘进及工作面回采过程中巷道围岩的变形情况进行了监测。监测数据整理汇总后结果如图5所示。

图5 回风巷围岩变形情况

由巷道位移情况监测结果可知，回风顺槽掘进期间，巷道围岩的变形量随着成巷时间的增加逐渐增大，顶板及两帮的形变集中在成巷45天内，变化趋势基本相同，最大变形量维持在200mm以下。工作面回采期间，当与工作面距离在40m以内时，围岩变形速率增大，最大变形量小于450mm，满足巷道断面的要求，综上可知，采用配合自攻锚杆的高强锚网索支护技术取得了良好的支护效果。