近距离煤层开采下软弱煤层巷道围岩控制技术研究_李斌.pdf

煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 0引言 进行近距离煤层群的下层煤层开采时， 受上方煤 层内回采工作面残余支承压力， 及本煤层巷道开挖的 影响，在本工作面回采期间出现巷道变形速度过快， 变形量很大等问题， 尤其是巷道围岩为强度很低的煤 层时， 巷道掘出后围岩迅速的失稳变形， 垮落严重， 对 巷道的掘进及支护非常不利， 严重影响正常的采掘和 生产。 本文以某矿近距离煤层开采影响下 21503 工作 面回风顺槽围岩控制技术为研究背景， 结合其具体的 地质条件， 应用 FLAC3D数值模拟软件及理论分析确 定具体的围岩控制参数， 通过现场工业性试验来验证 该种方法的支护效果。 1工程概况 试验巷道为某矿的 21503 工作面， 工作面井下位 于 5 煤层南一采区运输大巷西侧，回风顺槽沿煤层 顶板掘进，回风顺槽东侧相距 40m 为 21502 工作面 的采空区， 该工作面于 2016 年 10 月回采完毕； 21503 工作面回风顺槽上方向南水平距离 30m 为 21303 工 作面的采空区， 工作面间垂直间距为 20m， 该工作面 于 2015 年 7 月回采完毕。21503 工作面回风顺槽与 采区排水巷水平距离约为 20m， 工作面以西全部为实 体煤， 巷道及工作面布置详情如图 1 所示。该工作面 煤质为半亮型煤，煤层厚度 2.6m～3.1m，平均约为 2.7m， 煤层结构复杂， 含有厚度 0.05～0.13m 泥岩夹矸 一层， 煤层厚度变化较大， 煤层强度系数为 0.3～0.8 之 间， 煤质较软。 图 121503 工作面运输顺槽位置详情 2围岩稳定性分析及支护分析 2.1巷道围岩稳定性分析 巷道围岩的稳定性是一个极其复杂的问题， 主要 影响因素为地应力的大小、 巷道围岩的性质和采动的 影响[1]。下面通过这三个方面对于 21503 回风顺槽围 岩的稳定性进行分析 1 ） 地应力。地应力即为我们通常所说的原始应 力， 包括自重应力和地质构造应力， 竖直方向上的力 近距离煤层开采下软弱煤层巷道围岩控制技术研究 李斌 （山西平舒煤业有限公司 ， 山西 寿阳 045400 ） 摘要 为了解决某矿近距离煤层下层煤开采过程中， 由于煤体硬度较低， 并且在采动及地应力的影 响下煤岩体破碎严重， 引起的巷道支护困难的问题， 通过对于该巷道具体地质条件的分析， 设计采用 配合自攻锚杆的高强锚网索支护技术， 通过数值模拟进行具体参数的设计优化， 现场应用及矿压观测 结果证明取得了良好的支护效果， 为类似地质条件下的巷道支护提供了参考实例。 关键词 近距离煤层 ； 软弱煤层 ； 自攻锚杆； 中图分类号 TD 353文献标识码 A 文章编号 1009-0797 （2019 ） 06-0061-03 Study on control technology of roadway surrounding rock in soft coal seam under close proximity coal seam mining LI Bin （Shanxi Pingshu Coal Industry Co., Ltd., Shouyang , Shanxi 045400 , China ） Abstract Close coal seam in a mine in order to solve the lower coal mining process, due to the low hardness of coal, and under the influ- ence of mining and ground stress breakage of coal or rock is serious, the roadway excavation and supporting difficult problem, through the analysis about the specific geological conditions of roadway, design with tapping Gao Jiangmao network cable anchor supporting tech- nique, through the numerical simulation for the design of specific parameters optimization, field application and the result of mine pres- sure observation prove that achieved good supporting effect, for the similar geological conditions of roadway support provides the refer- ence for instance. Key words Close range coal seam ; Weak coal seam ; Self attacking bolt; 61 ChaoXing 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 主要由岩石自重产生， 水平方向的由断层、 陷落柱等 地质构造引起。 地应力的大小对于巷道围岩的稳定性 具有决定性的影响， 随着埋深的增加， 地应力会随着 增大， 同时也会增加煤与瓦斯突出、 冲击地压等事故 的几率和危险程度。21503 工作面平均埋深为 660m， 垂直方向的地应力约为 18.0MPa， 巷道围岩处于较大 的应力状态。并且回风顺槽位于背斜两翼， 且有断层 发育， 因此巷道围岩体内水平应力也比较明显， 应力 环境较复杂。 2 ）围岩强度及完整性 。巷道围岩的力学性质对 于巷道围岩的稳定性具有很大的影响。 当巷道开挖导 致周围煤岩体内应力大于其强度极限时， 煤岩体破坏 就会在围岩内形成塑性区， 并且在浅部形成一定厚度 的松散破碎岩块， 巷道周围煤岩体内破碎区和塑性区 较大时， 导致巷道围岩的整体性降低， 掘进和支护过 程中均会面临很大的困难。 21503 回风顺槽两帮为 5 煤，煤层强度系数为 0.3～0.8 之间， 煤体硬度较小， 松软破碎， 主要由块粉 煤以及少量的碎粒煤和糜棱煤组成， 顶板及底板伪顶 均为泥岩， 存在大量的离层与裂隙， 巷道围岩整体强 度偏低， 表明十分松散、 破碎， 并且由于断层、 褶曲等 构造的影响地应力较高， 并且采用炮掘的施工工艺掘 进，导致巷道围岩塑性区和破碎区发育范围将会较 大， 围岩强度很低。 3 ） 开采影响。 根据 21503 回风顺槽井下位置关系 可知， 其巷道围岩同时经受了 21303 和 21305 工作面 掘进及回采的影响， 并且受到南一采区排水巷掘进时 的影响， 21503 回风顺槽围岩体处于较高的地应力 下， 通过理论计算得该位置垂直应力为 20.13MPa， 应 力集中系数为 1.46， 巷道受采动影响明显。 2.2自攻锚杆适用性分析 根据 21503 回风顺槽具体的地质条件， 考虑选用 自攻锚杆进行巷道两帮的支护， 与常用的螺纹钢树脂 锚杆相比， 自攻锚杆有其突出的特点， 在合适的情况 下选用， 从施工速度、 支护效果、 经济效益等方面均有 一定程度的提高[2～3]。 （a ）锚杆受力示意图（b）A- - A 剖面 图 2自攻锚杆受力示意图 自攻锚杆的安装与螺纹钢锚杆存在较大的差异， 进行自攻锚杆的安装时， 首先需在安装位置钻一个直 径略小于锚杆直径的钻孔， 将自攻锚杆旋进钻孔预紧 即可， 钻孔内不需要填充锚固剂， 钻孔不需要冲孔或 吹孔 （这一点对软弱破碎煤层巷道尤为重要 ） ， 因此自 攻锚杆安装速度比普通锚杆快， 而且是全长锚固。全 长自攻锚杆在煤岩体内受力如图 2 所示， 相关的现场 试验表明， 巷道围岩为松软破碎的煤体时， 全长自攻 锚杆的性能优于全长锚固螺纹钢锚杆。根据以上分 析， 21503 工作面回风巷受到临近工作面和巷道的采 掘影响， 以及断层、 褶曲等地质构造的影响， 巷道周 围煤岩体应力环境复杂，加之巷道顶底板及两帮的 岩石强度和完整性较低，因此 21503 回风顺槽支护 应同时考虑加强顶板和两帮的支护。根据以往的生 产经验，在松软破碎煤体中采用全长自攻锚杆能够 提供连续摩擦阻力， 锚固性能得到充分的发挥， 因此 在回风顺槽考虑采用全长自攻锚杆进行巷道两帮的 加固。 3配合自攻锚杆的高强锚网索支护技术 为了确定合理的支护方案， 根据 21503 工作面具 体的地质条件， 应用 FLAC3D数值模拟软件分析锚网 索支护的效果， 模拟的方案如下; 1 ）普通锚网索支护； 顶板采用直径 22mm， 长度 2.4m的螺纹钢锚杆，采用树脂全长锚固，布置钢筋 网， 并且使用钢筋梯， 排距 0.95m， 间距 1.0m。锚索选 用支架 21.6mm，长度为 6.3m的矿用锚索加强支护， 排距 1.5m， 间距 2.0m； 两帮的锚杆采用直径为22mm， 长度为 2.5m 的全长自攻锚杆， 锚杆排距 0.8m， 间距 1.4m， 巷帮顶角、 底角锚杆采用与顶板型号相同的螺 纹钢锚杆， 顶板和两帮均安装金属网， 并安装钢筋梯 子梁补强。 2 ）加强支护； 将顶板锚杆排距减小为 0.8m， 锚索 的间距减小为 1.6m， 其余不变。 3 ）加强右帮支护； 在以上两个方案的基础上， 巷 道右帮保护煤柱侧的锚杆长度增加到 3.5m，直径不 变。 a 巷道右帮 （煤柱侧） 位移b 巷道左帮 （实体煤侧） 位 62 ChaoXing 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 移 c顶板d底板 图 3三种支护方案下巷道围岩位移模拟结果 三种支护方案运输顺槽围岩位移情况如图 3 所 示。巷道煤柱侧围岩变形范围约为 6.0m， 实体煤侧变 形范围为 4.0m， 顶板变形范围为 2.0m， 底板变形范围 为 3.0m， 巷道围岩主要变形区域均较小， 能够满足围 岩控制的要求。 方案二与方案一相比巷道顶板及两帮 的位移均明显减小， 方案三与方案二相比顶底板位移 虽然变化不大，但是煤柱侧围岩变形量明显减小， 因 此选择方案三用于 21503 回风顺槽的支护。 4巷道支护方案设计 根据以上的分析， 21503 回风顺槽断面宽为 4.4m， 高为 2.8m， 最终设计的支护方案如下 1 ）顶板采用直径 22mm，长度 2.4m的螺纹钢锚 杆， 采用树脂全长锚固， 布置钢筋网， 并且使用钢筋 梯， 排距 0.8m， 间距 0.95m。 两排锚杆之间布置直径为 21.6mm， 长度为 6.3m 的钢绞线锚索， 采用 “二二” 布 置， 锚索之间用 1800mm钢筋梯子梁联结。 2 ）巷道左侧 （实体煤侧） 安装直径 22mm， 长度 3.5m 的全长自攻锚杆， 巷道右侧 （煤柱侧） 安装直径 22mm， 长度 2.5m 的全长自攻锚杆， 顶角和底角采用 直径为 20mm，长度为 2.4m 的螺纹钢锚杆锚杆间距 和排距均为 0.8m， 并且分别向上和向下倾斜 15， 螺 纹钢锚杆采用加长锚固。 巷道支护的详细情况如图 4 所示。 a巷道支护断面图 b顶板支护c帮部支护 图 4回风顺槽支护方案 5支护效果分析 为了检验 21503 回风顺槽支护方案的效果， 对 21503 工作面回风顺槽掘进及工作面回采过程中巷 道围岩的变形情况进行了监测。 监测数据整理汇总后 结果如图 5 所示。 a巷道掘进期间b工作面回采期间 图 5回风巷围岩变形情况 由巷道位移情况监测结果可知， 回风顺槽掘进期 间，巷道围岩的变形量随着成巷时间的增加逐渐增 大， 顶板及两帮的形变集中在成巷 45 天内， 变化趋势 基本相同， 最大变形量维持在 200mm以下。 工作面回 采期间， 当与工作面距离在 40m 以内时， 围岩变形速 率增大， 最大变形量小于 450mm， 满足巷道断面的要 求， 综上可知， 采用配合自攻锚杆的高强锚网索支护 技术取得了良好的支护效果。 参考文献 [1] 孙婷,李科.近距离煤层采空区下回采工作面合理长度的 研究[J].煤炭技术,2018,37 （10） 64- 66. [2] 王晓.近距离煤层同采下组煤放煤顺序的确定[J].煤炭技 术,2018,37 （10） 29- 30. [3] 张春雷,李占平,康强.近距煤层群不同层间岩层结构下围 岩裂隙演化规律[J].煤矿安全,2018,49 （09） 91- 95. 作者简介 李斌1985 年 5 月 - ,男,汉族， 山西省宁武县人， 助理工 程师， 现就职于山西平舒煤业有限公司生产调度指挥中心。 （收稿日期 2019- 3- 20） 63 ChaoXing