侯殿坤，金慧龍,2，卜慶為

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.中國華能集團(tuán)有限公司 青海分公司，青海 西寧 810001）

井工煤炭資源開采遇近距離多煤層開采工程條件較為普遍，上覆煤層采空區(qū)對(duì)下方所布置的回采巷道支護(hù)穩(wěn)定造成復(fù)雜采動(dòng)影響。針對(duì)這一工程問題，諸多學(xué)者[1-12]從采空區(qū)底板的采動(dòng)應(yīng)力分布規(guī)律、底板巷道受力破壞特征、底板巷道采動(dòng)失穩(wěn)因素分析等方面展開科學(xué)研究與技術(shù)分析，并得到了諸多有價(jià)值的科研成果。但針對(duì)近層間距、多煤柱條件下采空區(qū)底板的應(yīng)力分布特征差異較大，這導(dǎo)致采空區(qū)底板巷道圍巖的受力破壞差異明顯，并且其支護(hù)控制對(duì)策往往無法滿足整個(gè)巷道的支護(hù)需要，因此開展近層間距、多煤柱條件下采空區(qū)底板巷道的受力破壞特征分析與支護(hù)技術(shù)研究具有顯著的工程意義。

1 概 況

忻州窯煤礦為立井石門盤區(qū)開拓方式，主要開采二水平的11 號(hào)、12 號(hào)、14 號(hào)3 個(gè)煤層，采煤工作面為單一走向長壁，綜合機(jī)械化采煤工藝，采掘機(jī)械化程度達(dá)100%。其中，井田內(nèi)14-2 號(hào)煤層厚度為0.8～3.7 m，平均1.53 m，西二盤區(qū)14-2號(hào)煤層內(nèi)掘進(jìn)3 條集中巷道。在14-2 號(hào)煤層之上13 m 位置為11 號(hào)煤層采空區(qū)，11 號(hào)煤層采用放頂煤工藝開采，并遺留由5 個(gè)上覆11 號(hào)煤層采空區(qū)隔離煤柱，巷道走向與11 號(hào)煤層采空區(qū)和煤柱呈斜交關(guān)系，如圖1 所示。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及其工程分析得出，由于西盤區(qū)14-2 號(hào)煤層集中巷上方存在11 號(hào)煤層多個(gè)采空區(qū)及其煤柱，相對(duì)一般巷道圍巖而言，其近層間距、多煤柱條件下采空區(qū)底板采動(dòng)應(yīng)力環(huán)境的巷道圍巖受力破壞情況尤為復(fù)雜，特別是在上覆11 號(hào)煤層采空區(qū)遺留煤柱對(duì)其下方巷道支護(hù)穩(wěn)定必定會(huì)造成嚴(yán)重影響。如何合理設(shè)計(jì)14-2 號(hào)煤層集中巷支護(hù)技術(shù)方案，這對(duì)忻州窯煤礦14-2 號(hào)煤層的安全回采至關(guān)重要。

圖1 西二盤區(qū)14- 2 號(hào)煤層集中巷布置與上覆11 號(hào)煤層采空區(qū)、煤柱的平面位置關(guān)系Fig.1 Relation between No.14-2 coal seam centralized roadway and No.11 coal seam upper goaf and coal pillar

2 近層間距、多煤柱條件下采空區(qū)底板巷道采動(dòng)影響特征分析

以忻州窯煤礦14-2 號(hào)煤層集中巷為工程背景，對(duì)近層間距、多煤柱條件下采空區(qū)底板巷道采動(dòng)影響及其巷道圍巖受力破壞特征進(jìn)行數(shù)值模擬，如圖2 所示。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型Fig.2 Numerical calculation model

近層間距、多煤柱條件下采空區(qū)底板采動(dòng)應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，這導(dǎo)致巷道掘進(jìn)需要穿過煤柱下方的采動(dòng)應(yīng)力集中區(qū)和采空區(qū)下方的采動(dòng)應(yīng)力降低區(qū)，二者的交替分布導(dǎo)致巷道不同部位的礦壓顯現(xiàn)特征差異明顯。因此需要對(duì)煤柱下方的采動(dòng)應(yīng)力集中區(qū)和采空區(qū)下方的采動(dòng)應(yīng)力降低區(qū)的巷道采動(dòng)破壞影響進(jìn)行分開研究。如圖3 ～圖4 所示。

圖3 上覆11 號(hào)煤層采空區(qū)底板下方13 m位置的底板應(yīng)力分布特征Fig.3 Floor stress distribution at 13 m under the goaf floor of No.11 overlying coal seam

如圖4（a） ～圖6（a） 所示，在采空區(qū)煤柱下方的采動(dòng)應(yīng)力集中區(qū)，巷道所處的圍巖應(yīng)力環(huán)境尤為嚴(yán)重，這導(dǎo)致巷道圍巖總體的礦壓顯現(xiàn)嚴(yán)重，而且水平應(yīng)力明顯低于垂直應(yīng)力，因此巷道的巷幫圍巖受力負(fù)擔(dān)嚴(yán)重。如圖4（b） ～圖6（b）所示，在采空區(qū)下方的采動(dòng)應(yīng)力降低區(qū)，巷道所處的圍巖應(yīng)力環(huán)境相對(duì)較弱，巷道圍巖總體的礦壓顯現(xiàn)相對(duì)采空區(qū)煤柱下方的采動(dòng)應(yīng)力集中區(qū)情況較輕，并且水平應(yīng)力高于垂直應(yīng)力，此時(shí)受力負(fù)擔(dān)相對(duì)較大的部位主要是巷道的頂?shù)装?。由于采空區(qū)底板的采動(dòng)應(yīng)力復(fù)雜影響，近層間距、多煤柱條件下采空區(qū)底板巷道的頂板圍巖破壞普遍存在與上覆采空區(qū)的底板采動(dòng)破壞貫通的情況。從支護(hù)方面來看，這就利于錨桿、錨索等主動(dòng)支護(hù)作用發(fā)揮效果，因此有必要考慮被動(dòng)支護(hù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道頂板的穩(wěn)定性控制。

圖4 上覆11 號(hào)煤層采空區(qū)底板下方巷道圍巖垂直應(yīng)力分布特征Fig.4 Vertical stress distribution characteristics of roadway surrounding rock under goaf floor of overlying No.11 coal seam

圖5 上覆11 號(hào)煤層采空區(qū)底板下方巷道圍巖水平應(yīng)力分布特征Fig.5 Horizontal stress distribution characteristics of roadway surrounding rock under goaf floor of overlying No.11 coal seam

圖6 上覆11 號(hào)煤層采空區(qū)底板下方巷道圍巖受力破壞特征Fig.6 Stress failure characteristics of surrounding rock under goaf floor of overlying No.11 coal seam

3 近層間距、多煤柱條件下采空區(qū)底板巷道圍巖控制對(duì)策研究

考慮到采空區(qū)底板的采動(dòng)應(yīng)力復(fù)雜影響，加之采空區(qū)底板巷道的頂板圍巖破壞普遍存在與上覆采空區(qū)的底板采動(dòng)破壞貫通，而且采空區(qū)底板巷道的淺部松動(dòng)圍巖存在冒落和片幫等情況，加劇巷道斷面的擴(kuò)大，進(jìn)而導(dǎo)致巷道礦壓顯現(xiàn)加?。灰虼隋^桿、錨索的主動(dòng)支護(hù)作用效果尚且對(duì)近層間距、多煤柱條件下采空區(qū)底板14-2 號(hào)煤層集中巷圍巖控制作用有限，金屬支架被動(dòng)支護(hù)則是關(guān)鍵支護(hù)結(jié)構(gòu)，可在矩形集中巷掘進(jìn)后進(jìn)行壁后充填并布置金屬支架支護(hù)，并采取雙層金屬網(wǎng)布置，以提高對(duì)巷道表面破碎圍巖松動(dòng)圍巖的約束作用。結(jié)合以上研究分析，提出西二盤區(qū)14-2 號(hào)煤層集中巷“錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+木垛壁后充填+U 型鋼支架”的主被動(dòng)聯(lián)合支護(hù)技術(shù)方案，聯(lián)合支護(hù)技術(shù)方案具體布置及其參數(shù)如下。

圖7 14- 2 號(hào)煤層集中巷支護(hù)方案斷面Fig.7 Section of support scheme for No.14-2 coal seam concentrated roadway

西二盤區(qū)14-2 號(hào)煤層集中軌道巷斷面為矩形4.2 m×3.2 m（寬×高）。正巷頂板采用鋼帶、5 排錨桿和2 排錨索聯(lián)合支護(hù)。鋼帶采用5 孔“W”型鋼帶，規(guī)格3 800 mm×220 mm×4 mm（長×寬×厚），鋼帶下采用110 mm×110 mm×10 mm（長×寬×厚） 鋼方墊。錨桿采用左旋無縱筋螺紋錨桿，規(guī)格為φ=20 mm，L=2 000 mm。排距800 mm，間距為1 000 mm。錨索采用φ=17.8 mm 鋼絞線，長度≥5.3 m；錨索幫距1.3 m，排距1.4 m，施工2排，間距3.0 m。巷道金屬網(wǎng)規(guī)格為3.7 m×1.7 m（長×寬）。礦用U29 型鋼金屬支架支護(hù)以加強(qiáng)支護(hù)，架間距800 mm，架棚斷面為三心拱型，壁后采取木垛充填。支護(hù)方案斷面如圖7 所示，模擬斷面如圖8 所示。

圖8 14- 2 號(hào)煤層集中巷支護(hù)方案模擬斷面Fig.8 Simulated section of support scheme for No.14-2 coal seam concentrated roadway

4 忻州窯煤礦西二盤區(qū)14-2 號(hào)煤層集中巷支護(hù)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)分析

4.1 支護(hù)效果數(shù)值模擬分析

通過數(shù)值模擬對(duì)聯(lián)合支護(hù)方案下采空區(qū)底板巷道支護(hù)穩(wěn)定性及效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，如圖9 ～圖11 所示。在采取聯(lián)合支護(hù)技術(shù)的情況下，14-2 號(hào)煤層集中巷的錨桿軸向拉拔強(qiáng)度150 ～186 MPa，錨索軸向拉拔強(qiáng)度260 ～326 MPa，金屬支架構(gòu)件軸向壓縮強(qiáng)度在24 ～205.4 MPa，其中在采空區(qū)煤柱下方及其附近位置14-2 號(hào)煤層集中巷的支護(hù)構(gòu)件承載負(fù)擔(dān)相對(duì)嚴(yán)重，而在采空區(qū)下方14-2 號(hào)煤層集中巷相對(duì)較輕。如此看來，在采空區(qū)煤柱下方及其附近位置的巷道圍巖受力狀態(tài)相對(duì)嚴(yán)重很多，因此需要重視對(duì)在采空區(qū)煤柱下方及其附近位置的巷道變形監(jiān)測(cè)，必要時(shí)采取補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，確保巷道安全使用。

圖9 聯(lián)合支護(hù)方案作用下的采空區(qū)底板下方巷道錨桿軸向拉拔強(qiáng)度分布Fig.9 Axial tensile strength distribution of bolts in roadway under goaf floor with combined support scheme

圖10 聯(lián)合支護(hù)方案作用下的采空區(qū)底板下方巷道錨索軸向拉拔強(qiáng)度分布Fig.10 Axial tensile strength distribution of roadway anchor cable under goaf floor with combined support scheme

圖11 聯(lián)合支護(hù)方案作用下的采空區(qū)底板下方巷道金屬支架構(gòu)件承載強(qiáng)度分布Fig.11 Bearing strength distribution of metal support components in roadway under goaf floor with combined support scheme

對(duì)14-2 號(hào)煤層集中巷采取主被動(dòng)聯(lián)合支護(hù)技術(shù)措施后，在采空區(qū)煤柱下方位置的巷道圍巖垂直變形量為頂板57 mm，底板59.5 mm，巷幫水平移近變形量為83 mm；在采空區(qū)下方位置的巷道圍巖垂直變形量為頂板8 mm，底板10.4 mm，巷幫水平移近變形量為35 mm。綜合分析得出，錨桿錨索主動(dòng)支護(hù)對(duì)近距離、多煤柱條件下的巷道圍巖變形控制穩(wěn)定作用效果有限，其中被動(dòng)支護(hù)通過較大剛度的支承和約束，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道圍巖的變形控制；但同時(shí)錨桿錨索主動(dòng)支護(hù)通過對(duì)巷道破壞圍巖的錨固和懸吊作用，輔助起到強(qiáng)化破碎圍巖的承載作用，進(jìn)而與被動(dòng)支護(hù)共同對(duì)采空區(qū)底板巷道圍巖控制穩(wěn)定發(fā)揮作用。采空區(qū)底板下方巷道圍巖垂直位移分布、水平位移分布如圖12 ～圖13 所示。

圖12 聯(lián)合支護(hù)方案作用下的采空區(qū)底板下方巷道圍巖垂直位移分布Fig.12 Vertical displacement distribution of surrounding rock under goaf floor with combined support scheme

圖13 聯(lián)合支護(hù)方案作用下的采空區(qū)底板下方巷道圍巖水平位移分布Fig.13 Horizontal displacement distribution of surrounding rock of roadway under goaf floor with combined support scheme

4.2 工業(yè)實(shí)踐支護(hù)效果反饋分析

如圖14 所示，現(xiàn)場(chǎng)采取十字布點(diǎn)法對(duì)巷道圍巖的變形情況進(jìn)行觀測(cè)，在采空區(qū)煤柱下方位置的巷道圍巖頂?shù)装宓囊平冃瘟繛?80 ～240 mm，兩幫移近量為80 ～100 mm，在采空區(qū)下方位置的巷道圍巖頂?shù)装宓囊平冃瘟繛?0 ～23 mm，兩幫移近量為18 ～20 mm。工業(yè)實(shí)踐支護(hù)效果反饋認(rèn)為，主被動(dòng)支護(hù)具有較大剛度的支承和約束，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道圍巖的變形控制同時(shí)起到了對(duì)巷道破壞圍巖的強(qiáng)化承載效果，實(shí)現(xiàn)了對(duì)近距離、多煤柱條件下的西二盤區(qū)14-2 號(hào)煤層集中巷圍巖穩(wěn)定性控制作用，西二盤區(qū)14-2 號(hào)煤層3 條集中巷的支護(hù)控制效果較好，達(dá)到了預(yù)期使用要求。

圖14 聯(lián)合支護(hù)方案作用下的采空區(qū)底板下方巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)Fig.14 Surrounding rock deformation monitoring of roadway under goaf floor with combined support scheme

5 結(jié) 論

（1） 近層間距、多煤柱條件下采空區(qū)底板應(yīng)力環(huán)境大致分為2 類，即采空區(qū)煤柱下方的采動(dòng)應(yīng)力集中區(qū)和采空區(qū)下方的采動(dòng)應(yīng)力降低區(qū)，且二者交替分布，不同部位的不同地應(yīng)力環(huán)境導(dǎo)致巷道礦壓顯現(xiàn)特征存在差異明顯。

（2） 在采空區(qū)煤柱下方的采動(dòng)應(yīng)力集中區(qū)，水平應(yīng)力明顯低于垂直應(yīng)力，但總體應(yīng)力環(huán)境相對(duì)很高，這導(dǎo)致巷道圍巖受力破壞程度相對(duì)嚴(yán)重，在采空區(qū)下方的采動(dòng)應(yīng)力降低區(qū)，水平應(yīng)力高于垂直應(yīng)力，但總體地應(yīng)力環(huán)境相對(duì)較低，巷道圍巖受力破壞程度相對(duì)較輕。

（3） 由于巷道布置距離上覆采空區(qū)底板較近，上覆采空區(qū)的底板采動(dòng)破壞在巷道圍巖應(yīng)力重分布的影響與近距離的巷道頂板破壞存在貫通，這不利于巷道頂板圍巖的主動(dòng)支護(hù)作用，因此被動(dòng)支護(hù)相對(duì)主動(dòng)支護(hù)的作用更為有效。

（4） 提出西二盤區(qū)14-2 號(hào)煤層集中巷“錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+木垛壁后充填+U 型鋼支架”的主被動(dòng)聯(lián)合支護(hù)技術(shù)方案；工業(yè)實(shí)踐支護(hù)效果反饋表明，主被動(dòng)聯(lián)合支護(hù)的圍巖穩(wěn)定性控制較好，達(dá)到了預(yù)期使用要求。