条带煤柱下近距离煤层巷道围岩控制

2022-06-08高玉军康庆涛殷帅峰

华北科技学院学报 2022年2期

高玉军，康庆涛，殷帅峰

(1. 华晋焦煤有限责任公司沙曲二号煤矿生产技术部，山西吕梁 033300；2.华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 065201)

0 引言

煤层开采过程中，采空区遗留煤柱较多，其中条带煤柱是一类特殊煤柱[1]，在延伸方向长度较大，下位煤层巷道布置难以避开煤柱下高应力区，对下位煤层巷道围岩控制造成困难，尤其对于下位近距离煤层巷道，煤柱下集中应力衰减较小，高应力作用下巷道围岩应力成倍增加，巷道围岩出现高地压、大变形等强矿压现象，巷道围岩控制异常困难[2-9]。高应力巷道围岩控制研究成果较多[10-17]，多根据实际情况采用联合控制技术，在巷道围岩变形较大条件下需要刷帮维护。条带煤柱下近距离煤层巷道围岩控制方面研究成果较少[18-19]，尤其下煤近距离巷道与上煤条带煤柱延伸方向垂直或斜交时，在巷道掘进方向上煤柱影响段长度较小，较复杂的控制工艺造成巷道掘进速度慢，不利于巷道围岩控制，因此条带煤柱下近距离巷道需要根据正常掘进段围岩控制方案进一步优化，在保证巷道支护质量前提下快速通过煤柱影响段。

1 工程背景

沙曲二矿4煤工作面分前后两部分回采，工作面长度由宽变窄，中间用30 m条带煤柱隔开，前部分工作面长度216 m，后部分工作面长度265.5 m。4煤下存在近距离煤层(5煤层)，煤层间距5～7.5 m，5煤回采巷道顶板存在2.3 m泥岩直接顶和2.0 m砂岩老顶，巷道底板为较厚粉砂岩，巷道掘进断面宽高尺寸4.6 m×2.8 m，巷道卧底掘进，根据4煤工作面回采巷道位置变化，5煤回采巷道也分前后两部分并内错4煤回采巷道一定距离布置，布置位置如图1红色虚线巷道所示，5煤回采巷道按前部分延伸方向穿过4煤条带煤柱后再调整轨道巷位置。

图1 巷道与条带煤柱关系

2 煤柱下近距离煤层巷道围岩应力环境与变形特征

根据5煤胶带巷在4煤条带煤柱位置巷道围岩条件，建立udec数值模型，模拟研究5煤胶带巷在条带煤柱及侧向采空区影响下，巷道掘进围岩应力环境及巷道围岩变形破坏特征，为巷道围岩合理控制方案提供方向。

条带煤柱下两侧底板岩层应力分布具有对称性，分析模型右侧条带煤柱影响下巷道施工应力条件(图2)。图2(a)为水平应力分布图，巷道位于水平应力红色区域，应力值10～15 MPa，与原岩应力相差不大，巷道顶板采空区方向水平应力逐渐减小。图2(b)为垂直应力分布图，巷道位置垂直应力受煤柱影响较大，巷道位于橙色区域，应力15～20 MPa，应力值比原岩应力大。图2(c)为煤柱顶底板塑性破坏区位分布，“*”代表屈服破坏位置，“0”代表拉伸破坏位置，巷道底板煤柱边界底板一定范围内煤岩层存在塑性破坏区，但巷道掘进位置在塑性破坏范围之外，对巷道围岩稳定影响较小。

图2 条带煤柱下巷道原位围岩应力状态

在巷道顶板上方0.1 m、2.1 m、7.3 m设水平测线测得不同位置垂直应力分布曲线(图3)，其中巷道顶板7.3 m测线距煤柱仅0.1 m，巷道顶板上方不同测线位置垂直应力相差不大，巷道顶板压力主要受煤柱集中应力影响，为原岩应力1.2～1.6倍。在水平方向上巷道位置虽没有位于侧向支承压力峰值区，但仍在峰后高应力区，在该位置掘进巷道，巷道围岩易在高应力下产生破坏，巷道初期变形量大，巷道围岩控制困难。

图3 巷道顶板应力分布曲线

巷道掘出后，巷道围岩应力重新分布(如图4(a)所示)，巷道近表围岩应力降低，巷道顶底板卸压较大，尤其顶板应力降低区发育至煤柱上方，巷道两帮出现应力峰值，应力峰值范围左帮大于右帮。巷道围岩破坏范围较大(如图4(b)所示)，巷道顶板出现较大范围拉伸破坏，巷道底板也产生一定程度拉伸破坏，巷道左帮塑性区发育宽度5.4 m，右帮塑性区发育至采空区下方；上位煤柱受巷道影响产生左右两部分塑性区，左侧塑性区5 m，右侧塑性区7 m。根据巷道围岩移动矢量图(如图4(c)所示)可知，巷道顶板和两帮都具有较大巷道方向位移量，巷道底鼓量较小，巷道左右帮移近量1.1 m，顶底板移近量0.57 m。

图4 条带煤柱下巷道围岩状态

综上所述，条带煤柱对巷道围岩垂直应力影响较大，巷道掘出后围岩出现大变形并使围岩应力重新分布，巷道顶板和两帮是围岩控制重点。

3 煤柱下近距离煤层巷道围岩控制技术

根据条带煤柱下5煤巷道顶板及两帮应力高、变形大的特点，提出采用高预紧力锚网梁强化控制技术，提高锚杆索支护预紧力并根据不同支护结构特点刚柔匹配，提高巷道围岩控制效果。巷道顶板采用“锚网+W钢带+工字钢”联合支护方式，对破碎围岩具有挤压加固作用，并有效控制顶板离层及松动圈的进一步扩展。巷道支护设计参数如图5所示，巷道顶板采用锚索长度5.25 m(或4.25 m)，直径21.8 mm，间排距1.3 m×1.8 m，托盘规格0.3 m×0.3 m×0.016 m，预紧力大于230 kN；巷道顶板锚索在中间用连接器连接形成锚索桁架结构，桁架跨度2 m，锚索长度6.35 m(或5.35 m)，间排距2.0 m×1.8 m；巷道顶板采用螺纹钢锚杆长度2.4 m，直径22 mm，间排距0.8 m×0.9 m，托盘规格4.4 m×0.25 m×0.005 m，锚杆预紧扭矩不低于200 N·m，锚杆布置在全断面长W钢带眼内加强巷道破碎岩块约束作用，角锚杆按80°打设并配碟形托盘和调心球垫；全断面长度工字钢间距1.8 m，采用木板刹紧背牢；巷道顶板采用5 m×1.1 m菱形铁丝网进行全断面护表支护。巷道两帮采用“锚网+钢带+工字钢”联合支护，采用Φ18螺纹钢锚杆，长度2.2 m，配长1.9 m的圆钢钢带和0.13×0.13×0.01 m托盘，锚杆预紧扭矩不低于200 N·m；两帮工字钢与顶板工字钢搭接形成架棚支护。

图5 巷道支护设计断面图

4 工程应用效果分析

根据设计围岩控制方案进行工程实践，对4煤条带煤柱下5煤巷道进行支护施工及巷道围岩变形观测，巷道掘进成巷后采取高预紧力锚网梁及时支护，巷道围岩在高应力作用下初期变形量大，局部揭露顶板后直接顶板破碎且控顶困难，采用工字钢和预紧力锚索桁架结构控制巷道进一步扩展变形。巷道围岩控制效果如图6所示，未采取强化措施条件下巷道顶底板移近量能够达到500 mm，采取强化措施后巷道顶底板移近量100～250 mm，两帮移近量80～130 mm，巷道围岩控制能够满足生产需要。