條帶煤柱下近距離煤層巷道圍巖控制

高玉軍，康慶濤，殷帥峰

(1. 華晉焦煤有限責(zé)任公司沙曲二號煤礦 生產(chǎn)技術(shù)部，山西 呂梁 033300；2.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

煤層開采過程中，采空區(qū)遺留煤柱較多，其中條帶煤柱是一類特殊煤柱[1]，在延伸方向長度較大，下位煤層巷道布置難以避開煤柱下高應(yīng)力區(qū)，對下位煤層巷道圍巖控制造成困難，尤其對于下位近距離煤層巷道，煤柱下集中應(yīng)力衰減較小，高應(yīng)力作用下巷道圍巖應(yīng)力成倍增加，巷道圍巖出現(xiàn)高地壓、大變形等強(qiáng)礦壓現(xiàn)象，巷道圍巖控制異常困難[2-9]。高應(yīng)力巷道圍巖控制研究成果較多[10-17]，多根據(jù)實(shí)際情況采用聯(lián)合控制技術(shù)，在巷道圍巖變形較大條件下需要刷幫維護(hù)。條帶煤柱下近距離煤層巷道圍巖控制方面研究成果較少[18-19]，尤其下煤近距離巷道與上煤條帶煤柱延伸方向垂直或斜交時(shí)，在巷道掘進(jìn)方向上煤柱影響段長度較小，較復(fù)雜的控制工藝造成巷道掘進(jìn)速度慢，不利于巷道圍巖控制，因此條帶煤柱下近距離巷道需要根據(jù)正常掘進(jìn)段圍巖控制方案進(jìn)一步優(yōu)化，在保證巷道支護(hù)質(zhì)量前提下快速通過煤柱影響段。

1 工程背景

沙曲二礦4煤工作面分前后兩部分回采，工作面長度由寬變窄，中間用30 m條帶煤柱隔開，前部分工作面長度216 m，后部分工作面長度265.5 m。4煤下存在近距離煤層(5煤層)，煤層間距5～7.5 m，5煤回采巷道頂板存在2.3 m泥巖直接頂和2.0 m砂巖老頂，巷道底板為較厚粉砂巖，巷道掘進(jìn)斷面寬高尺寸4.6 m×2.8 m，巷道臥底掘進(jìn)，根據(jù)4煤工作面回采巷道位置變化，5煤回采巷道也分前后兩部分并內(nèi)錯4煤回采巷道一定距離布置，布置位置如圖1紅色虛線巷道所示，5煤回采巷道按前部分延伸方向穿過4煤條帶煤柱后再調(diào)整軌道巷位置。

圖1 巷道與條帶煤柱關(guān)系

2 煤柱下近距離煤層巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境與變形特征

根據(jù)5煤膠帶巷在4煤條帶煤柱位置巷道圍巖條件，建立udec數(shù)值模型，模擬研究5煤膠帶巷在條帶煤柱及側(cè)向采空區(qū)影響下，巷道掘進(jìn)圍巖應(yīng)力環(huán)境及巷道圍巖變形破壞特征，為巷道圍巖合理控制方案提供方向。

條帶煤柱下兩側(cè)底板巖層應(yīng)力分布具有對稱性，分析模型右側(cè)條帶煤柱影響下巷道施工應(yīng)力條件(圖2)。圖2(a)為水平應(yīng)力分布圖，巷道位于水平應(yīng)力紅色區(qū)域，應(yīng)力值10～15 MPa，與原巖應(yīng)力相差不大，巷道頂板采空區(qū)方向水平應(yīng)力逐漸減小。圖2(b)為垂直應(yīng)力分布圖，巷道位置垂直應(yīng)力受煤柱影響較大，巷道位于橙色區(qū)域，應(yīng)力15～20 MPa，應(yīng)力值比原巖應(yīng)力大。圖2(c)為煤柱頂?shù)装逅苄云茐膮^(qū)位分布，“*”代表屈服破壞位置，“0”代表拉伸破壞位置，巷道底板煤柱邊界底板一定范圍內(nèi)煤巖層存在塑性破壞區(qū)，但巷道掘進(jìn)位置在塑性破壞范圍之外，對巷道圍巖穩(wěn)定影響較小。

圖2 條帶煤柱下巷道原位圍巖應(yīng)力狀態(tài)

在巷道頂板上方0.1 m、2.1 m、7.3 m設(shè)水平測線測得不同位置垂直應(yīng)力分布曲線(圖3)，其中巷道頂板7.3 m測線距煤柱僅0.1 m，巷道頂板上方不同測線位置垂直應(yīng)力相差不大，巷道頂板壓力主要受煤柱集中應(yīng)力影響，為原巖應(yīng)力1.2～1.6倍。在水平方向上巷道位置雖沒有位于側(cè)向支承壓力峰值區(qū)，但仍在峰后高應(yīng)力區(qū)，在該位置掘進(jìn)巷道，巷道圍巖易在高應(yīng)力下產(chǎn)生破壞，巷道初期變形量大，巷道圍巖控制困難。

圖3 巷道頂板應(yīng)力分布曲線

巷道掘出后，巷道圍巖應(yīng)力重新分布(如圖4(a)所示)，巷道近表圍巖應(yīng)力降低，巷道頂?shù)装逍秹狠^大，尤其頂板應(yīng)力降低區(qū)發(fā)育至煤柱上方，巷道兩幫出現(xiàn)應(yīng)力峰值，應(yīng)力峰值范圍左幫大于右?guī)汀Ｏ锏绹鷰r破壞范圍較大(如圖4(b)所示)，巷道頂板出現(xiàn)較大范圍拉伸破壞，巷道底板也產(chǎn)生一定程度拉伸破壞，巷道左幫塑性區(qū)發(fā)育寬度5.4 m，右?guī)退苄詤^(qū)發(fā)育至采空區(qū)下方；上位煤柱受巷道影響產(chǎn)生左右兩部分塑性區(qū)，左側(cè)塑性區(qū)5 m，右側(cè)塑性區(qū)7 m。根據(jù)巷道圍巖移動矢量圖(如圖4(c)所示)可知，巷道頂板和兩幫都具有較大巷道方向位移量，巷道底鼓量較小，巷道左右?guī)鸵平?.1 m，頂?shù)装逡平?.57 m。

圖4 條帶煤柱下巷道圍巖狀態(tài)

綜上所述，條帶煤柱對巷道圍巖垂直應(yīng)力影響較大，巷道掘出后圍巖出現(xiàn)大變形并使圍巖應(yīng)力重新分布，巷道頂板和兩幫是圍巖控制重點(diǎn)。

3 煤柱下近距離煤層巷道圍巖控制技術(shù)

根據(jù)條帶煤柱下5煤巷道頂板及兩幫應(yīng)力高、變形大的特點(diǎn)，提出采用高預(yù)緊力錨網(wǎng)梁強(qiáng)化控制技術(shù)，提高錨桿索支護(hù)預(yù)緊力并根據(jù)不同支護(hù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)剛?cè)崞ヅ?，提高巷道圍巖控制效果。巷道頂板采用“錨網(wǎng)+W鋼帶+工字鋼”聯(lián)合支護(hù)方式，對破碎圍巖具有擠壓加固作用，并有效控制頂板離層及松動圈的進(jìn)一步擴(kuò)展。巷道支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)如圖5所示，巷道頂板采用錨索長度5.25 m(或4.25 m)，直徑21.8 mm，間排距1.3 m×1.8 m，托盤規(guī)格0.3 m×0.3 m×0.016 m，預(yù)緊力大于230 kN；巷道頂板錨索在中間用連接器連接形成錨索桁架結(jié)構(gòu)，桁架跨度2 m，錨索長度6.35 m(或5.35 m)，間排距2.0 m×1.8 m；巷道頂板采用螺紋鋼錨桿長度2.4 m，直徑22 mm，間排距0.8 m×0.9 m，托盤規(guī)格4.4 m×0.25 m×0.005 m，錨桿預(yù)緊扭矩不低于200 N·m，錨桿布置在全斷面長W鋼帶眼內(nèi)加強(qiáng)巷道破碎巖塊約束作用，角錨桿按80°打設(shè)并配碟形托盤和調(diào)心球墊；全斷面長度工字鋼間距1.8 m，采用木板剎緊背牢；巷道頂板采用5 m×1.1 m菱形鐵絲網(wǎng)進(jìn)行全斷面護(hù)表支護(hù)。巷道兩幫采用“錨網(wǎng)+鋼帶+工字鋼”聯(lián)合支護(hù)，采用Φ18螺紋鋼錨桿，長度2.2 m，配長1.9 m的圓鋼鋼帶和0.13×0.13×0.01 m托盤，錨桿預(yù)緊扭矩不低于200 N·m；兩幫工字鋼與頂板工字鋼搭接形成架棚支護(hù)。

圖5 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)斷面圖

4 工程應(yīng)用效果分析

根據(jù)設(shè)計(jì)圍巖控制方案進(jìn)行工程實(shí)踐，對4煤條帶煤柱下5煤巷道進(jìn)行支護(hù)施工及巷道圍巖變形觀測，巷道掘進(jìn)成巷后采取高預(yù)緊力錨網(wǎng)梁及時(shí)支護(hù)，巷道圍巖在高應(yīng)力作用下初期變形量大，局部揭露頂板后直接頂板破碎且控頂困難，采用工字鋼和預(yù)緊力錨索桁架結(jié)構(gòu)控制巷道進(jìn)一步擴(kuò)展變形。巷道圍巖控制效果如圖6所示，未采取強(qiáng)化措施條件下巷道頂?shù)装逡平磕軌蜻_(dá)到500 mm，采取強(qiáng)化措施后巷道頂?shù)装逡平?00～250 mm，兩幫移近量80～130 mm，巷道圍巖控制能夠滿足生產(chǎn)需要。

圖6 巷道圍巖控制效果

5 結(jié)論

(1) 條帶煤柱下近距離煤層巷道受煤柱集中應(yīng)力影響嚴(yán)重，巷道圍巖應(yīng)力高，巷道掘進(jìn)后圍巖變形量大。

(2) 根據(jù)數(shù)值模擬巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境及變形特征，得出巷道頂板和兩幫是試驗(yàn)巷道圍巖控制的主要控制對象，提出高預(yù)緊力錨網(wǎng)梁強(qiáng)化控制技術(shù)并應(yīng)用于現(xiàn)場工程中，采取強(qiáng)化控制措施后，巷道圍巖變形量明顯減小，取得了良好的巷道圍巖控制效果。