团柏矿采空区下近距离煤巷围岩控制技术

张小康　王海平　连传杰　马长青

(1.山西焦煤霍州煤电集团；2.山东科技大学(泰安校区))



团柏矿采空区下近距离煤巷围岩控制技术

张小康1王海平1连传杰2马长青2

(1.山西焦煤霍州煤电集团；2.山东科技大学(泰安校区))

摘要团柏煤矿11#煤层距离上部10#煤层采空区仅5.4 m，为典型的近距离煤层下开采。11煤层工作面受10#煤层采空区影响，顶板完整性差，采用传统工字钢型支护达不到要求，巷道易发生垮冒事故。为此，采用数值模拟、现场试验的方法，改进了10-110(1)运输巷的支护方案，采用高强预紧力锚杆锚索联合支护，有效控制了巷道围岩变形,支护效果较好。

关键词碎裂顶板防水锚固剂数值模拟顶板淋涌水

近年来，随着开采强度的不断增加，煤炭资源的开采条件愈发恶化，团柏煤矿面临采空区下极近距离煤层开采的难题。由于受到上采空区采动影响，下煤层开采时顶板完整性差，加之上煤层采空区老窑水影响，淋水巷道围岩裂隙进一步发育，巷道矿压显现剧烈，支护难度大[1-3]。采用高强预紧力锚杆锚索联合支护，能有效控制该矿10-110(1)运输巷围岩变形，解决了该矿采空区下极近距离巷道支护困难的问题。

1　工程概况

团柏煤矿现开采11#煤层，煤层埋藏深度300～357m，煤层厚3.1～3.3m，平均3.2m，倾角2°～6°，平均4°，上部为10#煤层采空区，11#煤层上距10#煤层采空区平均5.4m。11#煤层顶板为粉砂岩，岩性较为坚硬，遇水不变形膨胀，抗压强度为46.21MPa，抗拉强度为3.89MPa。

2　锚杆预紧力对围岩控制影响分析

图1为杆体强度Q500、直径为18mm的锚杆，在不同安装应力下的锚杆受力与围岩位移曲线图。

图1　不同安装应力下围岩位移曲线 1—预应力4 t;2—预应力0 t

从曲线1可以看出，当达到锚杆屈服强度时围岩变形为12.5mm，当锚杆发生破断时围岩的位移为60mm；曲线2中，由于锚杆初期未施加预紧力，围岩发生较大变形后锚杆才开始受力但增加缓慢，锚杆受力后首先挤压破碎围岩，所以当达到锚杆屈服强度时，围岩变形量已达到36mm，锚杆发生破断时围岩的变形已达到90mm。

通过以上分析可以看出，较高的锚杆预紧力能够有效地提高锚杆支护效率[4]。

3　锚杆强度对围岩控制的影响

为研究锚杆强度对围岩控制的影响，应用有限差分软件FLAC3D建立巷道支护模型，模拟巷道埋深350m时，分别采用高强Q500锚杆与Q335 φ20mm普强锚杆支护巷道，研究巷道围岩稳定性情况。

图2(a)为采用高强Q500、φ18mm锚杆支护时的巷道垂直位移云图，图2(b)为采用Q335、φ20mm普强锚杆支护时的巷道垂直位移云图。由图2可以看出，采用高强Q500锚杆支护时顶板最大下沉量为216mm，采用普强Q335锚杆支护时的最大下沉量为379mm，而且整个巷道顶板的下沉量均大于300mm。因此，采用高强锚杆支护的巷道能有效控制顶板下沉。

图3为不同强度锚杆支护时围岩垂直应力云图。

从图3可以看出，高强锚杆能降低拉应力的大小及分布范围，使用高强锚杆时巷道表面最大拉应力1MPa；普强锚杆顶板最大拉应力区为9MPa，明显超出了岩石的抗拉强度(3.89MPa)，此条件下顶板易发生拉伸破坏。从应力分布情况分析，采用高强锚杆支护后，垂直应力可以有效地通过顶板传递到巷道两帮，减少了垂直应力对巷道顶板的破坏。

图2　不同强度锚杆控制围岩垂直位移云图

图3　不同强度锚杆控制围岩垂直应力云图

4　巷道支护方案及支护效果

通过对近距离煤层采空区下淋水巷道围岩控制影响因素分析，确定10-110(1)运输巷道采用高强锚杆锚索联合支护方式：即采用φ18mm×2 200mm，Q500矿用高强螺纹钢锚杆，预紧力不低于40kN；矿用笼型锚索，直径17.78mm，长度4 500mm，选用FSCK2340×3防水树脂锚固剂。

为研究团柏煤矿10-110(1)运输巷道支护方案与支护参数的合理性，对支护后的巷道顶板下沉量进行了监测，见图4。从图4中的巷道移近量监测结果可以看出，在观测位置距掘进工作面迎头100m时，巷道顶板和两帮的移近量开始趋于稳定，顶板最大下沉值为5mm，两帮最大移近量为16mm，证明所选支护方案能够较好地维持巷道稳定性。

图4　1#测点巷道移近量曲线 ●—底鼓量;▲—两帮移近量；■—顶板下沉量

5　结　语

(1)通过现场调查与理论分析，得出11-110工作面巷道难以支护的主要影响因素为上煤层采空区的顶板破碎，采空区积水对顶板的弱化作用。

(2)通过理论分析、数值模拟、现场试验的方法，研究了预应力大小、锚杆强度对围岩控制的影响，确定了11-110工作面巷道支护方案及支护参数。

(3)对支护后的巷道稳定性进行现场实测，结果表明，高强预紧力锚杆锚索联合支护，能有效控制围岩变形，支护效果良好。

参考文献

[1]钱鸣高，石平五．矿山压力与岩层控制[M]．徐州市:中国矿业大学出版社，2005．

[2]高建军，张忠温．平朔矿区近距离煤层采空区下巷道支护技术研究[J]．煤炭科学技术，2014，42(6)：1-4．

[3]张百胜．极近距离煤层开采围岩控制理论及技术研究[D]．太原：太原理工大学，2008．

[4]康红普，姜铁明，高富强．预应力锚杆支护参数设计[J]．煤炭学报，2008，33(7):721-726．

(收稿日期2016-04-26)

张小康(1962—)，男，副总工程师，教授级高级工程师，博士，031400 山西省霍州市鼓楼东街188号。