近距离煤层煤柱下应力分布和巷道支护技术

王利军，王 升

（1.山西煤炭运销集团忻州有限公司，山西 忻州 034000；2.江西煤矿安全监察局安全技术中心，江西 南昌 330096）

1 概述

和尚嘴煤业是资源整合矿井，12-2煤层已被整合前小煤矿开采完毕，目前矿井主采14-2煤层。12-2煤层和14-2煤层层间距7.10～16.6 m，平均层间距11.64 m。14-2煤层巷道属于近距离下煤层巷道。由于布置在采空区下，巷道掘进到12-2煤层煤柱下以及掘进离开煤柱时，巷道支护困难，部分地段巷道顶板和底板移近量1000～1500 mm，两帮移近量巷1500～1800 mm。

以2103运输顺槽为例，在介绍其地质条件基础上，采用数值模拟方法，分析上部煤层不同开采方式下，近距离煤层煤柱和采空区下应力分布特征。根据应力分布情况和煤柱下巷道变形特点，提出道布置在煤柱下时的巷道支护设计。矿压监测结果表明，煤柱下巷道支护设计能很好的控制围岩变形。

2 地质条件分析

2103运输顺槽位于和尚嘴煤业301盘区，沿14-2煤层顶板掘进，埋深243～300 m，上部12-2煤被小煤矿开采完毕，开采方式为巷采。

2103运输顺槽掘进方向右侧为2102运输顺槽，净煤柱20 m，工作面已采完2年，左侧为实体煤。具体位置见图1。

图1 2103运输顺槽及周边平面布置

14-2煤层平均厚度1.43 m，倾角1°～4°。14-2煤层直接底为深灰色粗砂岩，石英长石为主，泥质胶结，平均厚度4.7 m；14-2煤层直接顶为深灰色细砂岩，层理发育，向上颗粒变粗为中粗砂岩，泥质胶结。12-2煤层和14-2煤层平均层间距11.64 m。再往上为12-2煤层，平均厚度3.14 m。12-2煤层之上为中、细砂岩和灰色砂质岩，致密坚硬，块状构造，平均厚度14.44 m。围岩综合柱状见图2。

为更好的分析把握顶板岩层条件和围岩强度，在2103运输顺槽开口28 m位置进行了顶板0～8.6 m范围内的岩层结构窥视和强度测试，顶板窥视图见图3。同时在帮部对煤体强度进行了测试。

图2 2103运输顺槽围岩综合柱状

图3 2103运输顺槽顶板钻孔结构窥视

由图3可知，顶板0～6.3 m为砂岩，泥岩夹层较多，0～3.8 m岩层比较完整，4.2～5.6 m裂隙发育；6.3～8.6 m为泥岩，6.3～6.8 m局部有软弱夹层，6.8～8.6 m岩层较完整，7.2 m处有一裂隙。

分析窥视结果可知，14-2煤层直接顶为砂岩，虽然泥岩夹层较多但保持较好的完整性，在锚杆支护范围基本没有裂隙，有利于锚杆预紧力和支护阻力扩散；4.2～5.6 m岩层裂隙较发育，有可能影响锚索锚固力，锚索锚固端应避开此段岩层。

采用WQCZ-56型围岩强度测试仪器，在巷道顶板钻孔以及帮部钻孔内对围岩强度进行了测试，测试表明,顶板岩层0～5.6 m强度较高，平均值为55.46 MPa；5.6～8.8 m强度较低，平均值为27.28 MPa。帮部煤体强度平均值为13.72 MPa。

综合分析2103运输顺槽地质和生产条件，其最大埋藏深度为300 m，属低应力区；顶板岩层仅局部有破碎现象；顶板岩层和帮部煤层强度均较高。顶帮岩层条件较好，预计可以采用高强度锚杆锚索支护。2103运输顺槽临近本煤层采空区，稳定时间3年以上，净煤柱20 m。上部12-2煤层预计为不规则开采，需采用数值模拟分析上部煤层开采后采空区和煤柱下应力分布情况，为煤柱下巷道支护设计提供依据。

3 近距离下部煤层巷道应力分布数值模拟研究

采用FLAC3D数值计算软件模拟上部煤层被小煤矿巷采和长壁开采两种情况时下部煤层围岩应力分布情况。

根据2103运输顺槽的实际地质条件进行数值建模。上部煤层被小煤矿巷采后塑性区和垂直应力分布情况见图4和图5，上部煤层长壁开采后围岩的垂直应力分布情况见图6。

图4 上部煤层巷采后塑性区分布情况

图5 上部煤层巷采后垂直应力分布情况

图6 上部煤层长壁开采后垂直应力分布情况

对比图5和图6可知：①长壁开采煤柱下应力集中程度大于巷采，主要因为长壁开采采动范围和顶板运动范围更大；②两种开采方式下，巷道进入煤柱前2～3 m即出现应力集中，需要加强下部煤层巷道支护；③巷采条件下掘进巷道需频繁进出煤柱，增加现场管理难度；④两种开采条件下，采空区下垂直应力均接近为0。

4 煤柱影响下2103运输顺槽支护方式及效果分析

4.1 近距离煤柱下巷道支护特点

近距离煤柱下巷道有其典型的变形特点，归纳起来如下：

（1）变形以两个巷帮移近为主，底板鼓起时有发生。采动应力主要表现为导致两帮变形的垂直应力。

（2）帮部煤体一旦破碎，将发生持续变形。帮部网包严重。

结合高预应力锚杆支护理论和近距离煤柱下巷道应力分布情况和变形特点，认为近距离煤柱下巷道支护设计要点如下：

（1）进入煤柱前2～5 m，就必须加强支护；进入煤柱后，应力集中更加明显，支护强度应高于正常段；

（2）帮部煤体一旦破碎，将发生持续变形。帮部必须加大护表构件面积；

（3）对锚杆锚索施加高预紧力，更好地约束顶帮围岩变形，真正实现锚杆锚索的主动支护。同时，锚杆锚索及其构件承载力必须相互配套。

4.2 2103运输顺槽支护设计

2103运输顺槽沿14-2煤层顶板掘进，断面为矩形，掘进高度2.3 m，宽度4.5 m，掘进断面积为10.35 m2。使用高预应力锚杆、锚索，采用锚网与锚索联合支护。

(1)顶板支护

锚杆形式和规格： 杆体为直径20 mm左旋无纵筋螺纹钢，屈服载荷105 kN，长度1800 mm。

锚杆配件：采用高强度锚杆螺母M22，托板采用方形带拱托板，配套调心球垫和1010尼龙垫圈，托板尺寸为150 mm×150 mm×8 mm，托板高度不低于34 mm。

锚固方式：树脂加长锚固，采用两支不同型号的树脂锚固剂，一支规格为CK2335，另一支规格为Z2360，钻头直径为28 mm。

采用W钢带护顶： 规格为厚度3 mm，宽280 mm，长度4300 mm，孔间距1000 mm。

顶板网片规格：采用10#铁丝编织的菱形金属网护顶，网片规格4700 mm×1100 mm，网孔规格50 mm×50 mm。

锚杆布置：锚杆排距1000 mm，每排5根锚杆，间距1000 mm。

锚杆预紧扭矩不低于300 N·m。

锚杆全部垂直于顶板进行安装，考虑到施工需要，允许5°误差。

锚索形式和规格：锚索材料为17.8 mm，17股预应力钢绞线，长度7300 mm，钻头直径28 mm，采用三支两种不同型号的树脂锚固剂，两支规格为Z2360，一支规格为CK2335。

锚索托板： 采用300 mm×300 mm×12 mm方形带拱锚索托板，配套调心球垫。托板高度不低于58 mm。

锚索“二·二”布置，间距1800 mm，排距2000 mm。全部与巷道顶板垂直打设，锚索张拉锁定后预紧力不低于180 kN。

(2)两帮支护

锚杆形式和规格： 杆体为直径20 mm左旋无纵筋螺纹钢筋，屈服载荷105 kN，长度1800 mm。

锚杆配件：采用高强锚杆螺母M22，托板采用方形带拱托板，配套调心球垫和1010尼龙垫圈，托板尺寸为150 mm×150 mm×8 mm，托板高度不低于34 mm。

锚固方式：树脂加长锚固，采用一支树脂锚固剂，规格为Z2360，钻头直径为28 mm。

W钢护板护帮：规格为厚度4 mm，宽280 mm，长度450 mm。

网片规格： 采用10#铁丝编织的菱形金属网护帮，网片规格2200 mm×1100 mm，网孔规格50 mm×50 mm。

锚杆布置：锚杆排距1000 mm，每帮3根锚杆，间距800 mm。

锚杆预紧扭矩不低于300 N·m。

锚杆全部垂直于巷道帮部进行安装，允许5°误差。

2103运输顺槽煤柱下支护断面见图7。

图7 2103运输顺槽煤柱下支护断面

4.3 支护效果分析

采用上述支护段在井下开展试验，共计施工125 m巷道。安装顶板离层仪和锚杆锚索测力计，试验段掘进期间顶板离层为2～5 mm；回采期间试验段离层为5～8 mm，可见优化后支护效果明显。

锚杆锚索测力计数值显示，回采前锚杆受力较为稳定；回采时超前回采面42 m锚杆受力增加，最终为60 kN，锚索受力为125 kN。

掘进期间巷道两帮位移在5～15 mm，回采超前段两帮变形在35～82 m，未见明显变形。

5 结语

1）和尚嘴煤业2103运输顺槽为复杂采空区下近距离煤层巷道，根据以往经验，煤柱下支护难度较大，容易发生明显变形，需要对其开展专题研究。

2）在对地质条件进行充分分析的基础上，采取计算机数值模拟法，对上部煤层不同开采方式下，煤柱和采空区下应力分布情况进行分析，得到巷采时煤柱下应力集中系数最大为5.02，煤柱下巷道支护难度明显加大。

3）结合高预应力锚杆支护理论，结合近距离煤柱下巷道应力分布情况和变形特点，提出近距离煤柱下巷道支护设计要点，提出2103运输顺槽位于煤柱下使用高预应力锚杆、锚索，采用锚网与锚索联合支护。矿压监测表明，支护效果良好，围岩变形得到有效控制。