煤柱底板巷道围岩力学分析及控制技术研究

2019-11-30孙建俊

山东煤炭科技 2019年11期

孙建俊

（山西临县西山晟聚煤业有限公司，山西吕梁 033299）

近距离煤层开采，由于两煤层间距较小，使得煤层间开采的相互扰动较大，上层煤开采使得煤岩体应力重新分布，布置在煤柱下方的巷道受煤柱高支承压力的作用，矿山压力显现明显，会出现较大的巷道围岩变形，巷道必须经多次修补才能满足生产要求，因此，对煤柱底板巷道的变形控制极为重要。

本文以西山晟聚煤业29102副巷为工程研究背景，分析煤柱底板巷道围岩的力学效应，并提出相应的控制技术，为相似巷道的支护设计提供借鉴。

1 工程概况

西山晟聚煤业公司隶属山西焦煤集团，位于山西省临县，井田面积2.82km2，核定生产能力60万t/a，主要开采8#和9#煤层。8#煤层平均埋深144m，厚度平均3.3m，平均倾角6°，采用走向长壁一次采全高采煤法，区段间留设煤柱宽度为20m。9#煤层平均埋深151m，厚度3.9～4.6m，平均4.0m，直接顶以泥岩为主，上距8#煤层平均约7.0m，底板为砂质泥岩。29102副巷长499m，断面尺寸为4.0m×3.3m的直墙半圆拱形，采用U36型钢棚喷浆支护，支架排距550mm，该巷位置如图1所示。

图1 29102副巷示意图

29102副巷受上层煤柱高支承压力的影响，采用原支护方案巷道顶板出现较大沉降，底板隆起、两帮收敛严重，部分钢棚支架出现扭曲变形、尖顶变形甚至断折等现象，支承作用弱化甚至失效，巷道变形如图2所示。为满足工作面生产条件，需要对29102副巷进行修复。

图2 巷道变形

2 煤柱底板巷道围岩力学分析

2.1 底板应力分析

上层煤开采改变了采场围岩应力平衡状态，导致其内部应力重新分布。受上煤层采掘后工作面超前支承压力、采空区垮落矸石及残留煤柱荷载的共同影响，近距离下位煤层巷道围岩应力状态与单一煤层相比存在极大差异，因此需要对煤柱下底板的应力分布进行分析。

依据弹性力学解析，假设均质岩（煤）体受垂直集中力F的作用，如图3（a）所示，弹性半无限体中的任意点的应力分量σx、σy和τxy分别表示为：

图3 岩体受荷载作用

应用叠加原理将式（1）进行推广，宽度为L的均质岩（煤）体受均布荷载q的作用，如图3（b）所示，岩体内任意点的应力分量σx、σy和τxy分别表示为：

为分析9#煤层应力分布规律，假设煤柱受均布荷载作用，并依据该矿上层8#煤层留设煤柱L宽20m，绘制9#煤层应力分布曲线，如图4。可知：煤柱中心的垂直、水平应力均达到峰值，且均随距煤柱中心距离的增大而减小，当距煤柱中心大于10m，即位于采空区后，应力急剧减小；剪切应力在煤柱中心近乎为0，在煤柱边缘10m处最大；巷道距煤柱越远，应力越小，整体稳定性越高。

图4 9#煤层应力分布曲线

2.2 底板破坏厚度分析

煤层开采后，巷道底板岩体承受极大支承压力，发生塑性变形甚至破坏，底板岩体应力分布不均匀，出现极限塑性区，划分为主动应力区Ⅰ、过渡区Ⅱ、被动应力区Ⅲ，如图5。主动应力区岩体受上方垂直荷载作用压缩变形，应力传递到过渡区，过渡区岩体继续压缩变形，再次传递到被动应力区，影响巷道的稳定性。因此对煤层开采对底板破坏厚度进行计算。

图5 极限塑性区分布

根据极限平衡理论，并依据摩尔-库伦准则，煤柱塑性区宽度L的表达式为：

式中：

M-煤层开采厚度，m；

λ-侧压力系数；

φ-内摩擦角，°；

k-应力集中系数；

γ-岩体重度，kN/m3；

H-煤层埋深，m；

C-粘聚力，MPa。

在距巷道底板一定深度范围内，岩体产生塑性变形，部分发生破坏，在支承压力作用下底板破坏厚度h的表达式为：

根据晟聚煤业的地质概况，8#煤层平均埋深为144m，开采厚度约3.3m，侧压系数取为1.2，应力集中系数取3.0，底板岩体粘聚力为1.0MPa，内摩擦角为25°，重度为25kN/m3，代入式（3）、（4）中，得到煤柱底板破坏厚度h为7.98m。根据计算结果可知，29102副巷处于上层采煤工作面底板破坏范围之内，巷道围岩的稳定性较差。

3 围岩变形控制研究

依据公式推算出的底板最大破坏深度7.98m，大于8#、9#煤层间泥岩7.0m的平均厚度。上层煤开采对下层岩煤体的影响极大，底板受采空区垮落矸石和残留煤柱的影响产生应力集中现象，从而对下层煤的顶板应力场产生扰动，使其在开采前便存在结构损伤、裂隙等不稳定状态，继而对布置在煤柱下部巷道的支护结构产生极大危害。因为上层煤柱受较高的支承压力，使得下层巷道围岩存在较大的垂直应力，导致底板出现明显隆起，成为巷道围岩最薄弱部位，同时也将其不稳定性传递给顶板、两帮，造成巷道整体的大变形破坏。因此，需要在对底板进行加固的基础上，同时对顶板和两帮的支护进行加固，形成环形整体支护结构。

依据29102副巷围岩特性及变形破坏情况，提出“U型钢棚+锚索+底板锚网索”的环形整体支护结构，如图6所示。具体技术方案如下：

（1）U型钢棚。采用U36型钢棚进行顶板支护，支架排距500mm，支架安装完成后由下向上在巷道表面喷涂混凝土，强度不低于C20，厚度为40mm±5mm。

（2）锚索。采用规格为Φ17.8×6300mm的锚索对U型钢棚支架进行加固，间、排距为1000×1000mm，每排布置6根，锚索梁采用12#槽钢连接，锚索预紧力不小于150kN，采用锚固剂K2335两支，并配300×300×16mm托盘。

（3）底板锚网索。底板支护采用规格为Φ22×3000mm的左旋螺纹钢锚杆，间、排距为800×800mm，每排5根，配备Φ16×6000-80-6金属钢筋梁，并挂金属菱形网，采用K3252树脂锚固剂两支，预紧力不小于200kN；采用规格为Φ17.8×5000mm锚索，间、排距为800×1000mm，每排平行布置3根，锚索梁采用12#槽钢连接，预紧力不小于100kN，采用锚固剂K2350两支，并配300×300×16mm托盘。

图6 巷道支护断面图

4 工程实践

为评估煤柱底板巷道环形整体支护结构的支护效果，采用“十字布点法”在29102副巷布置测点对巷道围岩变形进行现场监测，并绘制位移曲线，如图7所示。

通过分析可知，在工作面开采60d内，巷道两帮位移和顶底板位移均呈现变形剧烈、变形减缓、变形稳定三个阶段。在变形稳定后两帮最大变形为56mm，顶底板最大变形为32mm。可以看出，采用“U型钢棚+锚索+底板锚网索”的环形整体支护结构，巷道总体变形量较小，该控制措施可以有效减小煤柱底板巷道围岩变形，提高稳定性。