近距离煤层采空区下回采巷道围岩控制技术研究与应用_张步元.pdf

煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 0引言 近距离煤层下行式开采中，在上位工作面回采 完毕后， 会使得回采空间围岩应力重新分布， 上位 残留区段煤柱会形成应力集中现象， 造成下位工作 面的顶板结构和应力环境发生变化， 从而致使近距 离采空区下进行回采工作时回采巷道矿压显现更 为剧烈和复杂。因此解决近距离煤层采空区下回采 巷道的支护问题对矿井的安全生产具有重要意义 [1,2]。本文所讨论的马兰矿 12509 工作面皮带巷的围 岩控制问题， 属于典型的近距离煤层采空区下回采 巷道的围岩控制问题， 论文从分析 2煤围岩应力环 境与赋存条件的测试出发， 根据测试结果与工作面 地质条件提出根据巷道顶板与采空区间厚度的变 化采用三种支护方案对近距离煤层采空区下 12509 工作面皮带巷进行围岩控制， 并且支护方案的效果 通过矿压监测数据得到了验证。 1工程概况 马兰矿 12509 工作面走向长度 1318m， 倾斜长度 为 216m，所采 2煤层的均厚为 2.92m，直接顶为 0.70m的粉砂质泥岩，基本顶为 5.67m的 S5砂岩， 直 接底为 1m 的粉砂岩和 0.3m 的 3煤，老底为 7.85m 的粗砂岩， 经过现场探测发现工作面顶板 2煤与 02 煤之间的距离在 2.5～9.0m 之间，巷道沿煤层底板掘 进， 施工时上覆 02煤已回采完毕， 具体 12509 工作 面布置如图 1 所示。 图 112509 工作面布置示意图 22煤围岩应力环境与赋存条件分析 2.1围岩强度原位测试 根据钻孔原位触探测试结果能够看出 S5 砂岩的 强度为 54.1～80.1MPa， 顶板粉砂质泥岩的强度集中在 21.8～33.91MPa； 2煤层完整性较好，平均强度为 近距离煤层采空区下回采巷道围岩控制技术研究与应用 张 步 元 （西山煤电马兰矿 ， 山西 古交 030200 ） 摘要 为对近距离煤层采空区下 12509 工作面皮带巷的围岩控制技术进行研究， 在对 2 煤进行围 岩地质力学测试、 可锚性试验分析及锚杆支护理论的基础上， 根据巷道顶板与上位采空区间厚度的变 化， 采用三种支护方式结合对巷道围岩进行控制， 并通过矿压监测对支护效果进行分析。 结果表明 在 巷道实施三种联合支护方案后， 12509 工作面皮带巷的表面位移能够满足巷道掘进与回采期间的变 形要求， 锚杆、 锚索的受力状态比较稳定， 顶板无离层现象， 该支护方案能有效控制巷道围岩变形。 关键词 近距离煤层 ； 采空区下 ； 围岩控制 ； 回采巷道 中图分类号 TD353文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2019 ） 05- 0001- 03 Research and application of the surrounding rock control technology in the lower stope of coal seam ZHANG Buyuan （Xishan Coal and ElectricityMalan Mine ， Shanxi Gujiao 030200 ） AbstractIn order to study the surrounding rock control technology of the belt roadway under the 12509 working face in the mined- out area of close coal seam, Based on the geological and mechanical tests of surrounding rock, the anchorage test analysis of no. 2 coal and the support theory of anchor, and the variation of thickness between the roof of roadway and the upper goaf, the three supporting s are adopted to control surrounding rock of roadway, the supporting effect was analyzed by monitoring ore pressure. The results show that the surface displacement of the belt roadway on the 12509 working face can meet the deation requirements during the roadway tunneling and mining, the stress state of the bolt and the anchor cable is relatively stable, and the roof is free of the dissociation. This support scheme can effectively control the deation ofroadway surroundingrock. Key wordscontiguous seams ; mininggateway; Goaf; The surroundingrock control ; High strength stable type support 1 ChaoXing 煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 21.3MPa，为中硬煤层；顶板砂质泥岩平均强度为 28.1～31.5MPa， 节理裂隙较为发育， 岩层局部破碎。 2.2地应力场原位测试 通过井下水压致裂地应力的测量方法对巷道围 岩地应力场进行原位测试。 根据测试结果能够得出 2 煤 巷 道 围 岩 的 最 小 水 平 主 应 力 的 范 围 为 3.15～4.95MPa， 最 大 水 平 主 应 力 范 围 为 5.68～6.41MPa，垂直主应力范围为 4.12～4.19MPa， 故 能够判断出巷道处于低值应力场区。 应力场的类型以 σH型、 σHV型为主， 最大主应力的方向集中在 N49.6 ～66.7W之间。 2.3巷道围岩可锚性评价 在近距离煤层上覆 02煤层回采动压的影响下， 造成 02煤底板一定深度的围岩结构破碎， 且出现局 部 02煤采空区积水下渗， 从而降低了 2煤层巷道顶 板围岩锚杆的锚固效果及岩层的承载能力。 根据锚杆 支护技术规范[3]， 现场对 2煤巷道顶板岩层及帮部煤 体进行可锚性进行测试， 测试结果见表 1。 表 1近距离煤层采空区下 2煤围岩可锚性试验结果 根据可锚性测试结果能够得出以下结论 ①锚杆 （索 ） 的拉拔力受到锚固长度的影响显著。 在巷道围岩 较完整时， 顶板使用直径为 22mm螺纹钢锚杆进行加 长锚固， 此时锚杆的最大拉拔力大于 126kN， 巷帮采 用直径为 18mm的圆钢锚杆进行锚固时， 最大拉拔力 大于 61kN， 能够满足规范对锚杆锚固力的要求[4]； ② 当锚索锚固剂使用 K2335Z2360 树脂药卷进行锚固 时， 巷道顶板锚索的最大拉拔力均大于 180kN， 在巷 道围岩条件发生变化时，会使锚索锚固效果下降， 此 时应对锚固参数进行及时调整， 保证锚索的最大拉拔 力满足设计要求。 3巷道支护设计与效果分析 3.1巷道支护方案 根据 2煤的生产地质条件、地质力学测试结果 及巷道围岩的可锚性试验结果能够得出 12509 工作 面皮带巷可选用锚杆、 锚索对巷道进行支护， 在运用 锚杆 （索 ） 支护方式控制巷道围岩变形时应充分考虑 以下原则 ①巷道开挖后， 应采用主动的支护的方式 控制围岩变形。 当巷道围岩较破碎时及时采取主动支 护的方式来防止巷道开挖后围岩进一步破碎变形， 减 小巷道的空顶、 空帮时间； ②在对锚杆施加预紧力时， 应充分考虑预应力的扩散原则，合理的施加预紧力， 只有施加了合理的锚杆预紧力才能充分发挥锚杆的 支护作用， 提高围岩的承载能力[5,6]； ③通过对巷道锚 杆的拉拔力试验来判断围岩的可锚性， 根据试验结果 对锚固参数进行优化。 由于 2煤层距上覆 02煤层采空区的距离较短 且变化幅度大， 并根据上述锚杆支护的原则， 通过运 用 FLAC3D数值模拟软件对采用不同支护形式时巷道 围岩的应力及塑性区域的进行分析， 根据模拟结果并 结合巷道顶板与上覆采空区厚度的变化，确定对 12509 工作面采取三种支护手段， 分别如下 1 ） 在 02煤与 2煤间距大于 5.3m 时，选用 Φ20mm2000mm 螺纹钢锚杆进行支护，顶板锚杆 间排距 900mm1000mm； 锚索长度为 5.3m， 锚索间 排距 1.8m3.0m，顶板锚固剂采用 K2335Z2360 树 脂锚固剂； 两帮锚杆间排距为 1000mm1000mm， 无 锚索， 设计锚杆预紧力不低于 40kN， 锚索张拉力不低 于 120kN。 2 ）当 02煤与 2煤层间距小于 5.3 m时， 锚索长 度降为 4.3m， 锚杆参数不变。 3 ）当 02煤与 2煤层间距小于 4.3m 时， 巷道仍 采用 Φ20mm2000mm螺纹钢锚杆进行支护。在顶 板破碎时，现有锚杆支护会无法控制顶板岩层稳定， 故此时需进行套棚支护， 棚距 1.2m， 同时将锚杆间排 距调整为 1100mm1200mm。 3.2矿压监测与支护效果分析 通过对 12509 工作面皮带巷掘进与回采期间巷 道表面位移、 顶板离层仪及锚杆、 锚索受力进行监测， 用来判断巷道围岩的稳定性。 下面分别对 3 项监测数 据分别进行分析 1 ） 巷道表面位移。根据监测数据显示 在巷道掘 进期间左帮移近量为 22mm，右帮移近量为 8mm， 顶 板下沉量为 16mm， 底板鼓起量为 8mm， 顶底移近量 为巷道高度的0.69，两帮移近量为巷道宽度的 0.6，根据巷道表面位移数据得出支护后巷道整体 变形量较小， 在与掘进迎头距离大于 100m 后巷道基 锚固岩层 钻孔直径 /mm 杆体直径 /mm 锚固剂型号及 数量 拉拔力均值 /kN 顶板 S5砂岩2822K233570.1 顶板 S5砂岩2822K2335Z2360＞129.1 顶板粉砂质泥岩2822K233562.1 顶板粉砂质泥岩2822K2335Z2360188.6 帮部煤体2818Z236063.4 2 ChaoXing 煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 本无变形， 处于稳定状态； 12509 工作面回采期间， 顶 底板移近量为162mm， 其中底鼓量为 142mm， 两帮移 近量为 118mm，其中煤柱帮位移量为 82mm， 12509 工作面皮带巷掘进与回采期间巷道表面位移监测曲 线如图 2 所示。 从监测曲线中能够得出在 12509 工作 面回采期间，为保证回采安全， 12509 工作面皮带巷 应对超前工作面 35m范围内的围岩进行加固处理。 a巷道掘进期间 b巷道回采期间 图 212509 工作面皮带巷表面位移监测曲线 2 ） 顶板离层状态。 根据 12509 工作面巷道顶板离 层仪数据显示， 深部基点离层为 0， 浅部基点离层为 0.3mm。故巷道顶板无离层现象出现。 （a ）顶板锚杆受力监测 （b）锚索受力监测 图 3锚杆、 锚索受力状态监测 3 ） 锚杆、 锚索受力监测。通过对巷道顶板锚 （索 ） 的受力状态进行持续 60d 的监测， 将所得数据绘制成 曲线， 如图 3 所示。从曲线图中能够看出锚杆受力值 基本集中在 20～30kN， 锚杆施加的初始预紧力均大于 40KN；锚索受力值基本集中在 76～84kN，故根据锚 杆、 锚索监测期间的受力状态可知， 大部分锚杆、 锚索 的受力值均小于设定值， 锚杆 （索） 处于稳定状态， 故 由此可知设计支护参数较为合理。 4结论 1 ） 在对 12509 工作面回采巷道围岩进行地质力 学及可锚性能判断的基础上， 对采用锚杆 （索 ） 支护技 术控制近距离煤层采空区下巷道围岩变形的方案进 行论证。由巷道围岩应力与赋存条件测试得知 2煤 层回采巷道处于低值应力场区域， 巷道顶板岩层结构 受到上覆煤层的采动影响较大， 围岩变化程度较大。 2 ） 根据 2煤层顶板与 02煤层采空区之间厚度 的变化情况采用多种支护方式进行结合，来控制近 距离煤层采空区下巷道的围岩稳定。 3 ） 根据对 12509 工作面皮带巷掘巷与回采期间 的矿压监测数据得出现有支护设计参数能够保证巷 道围岩稳定， 在 12509 工作面回采期间， 为保证回采 安全， 需对超前工作面 35m 范围的围岩进行加固处 理。 参考文献 [1] 林健,范明建,司林坡,姜鹏飞.近距离采空区下松软破碎 煤层巷道锚杆锚索支护技术研究 [J]. 煤矿开采,2010,15 （04） 45- 5062. [2] 张忠温,吴吉南,范明建,高福全,张立海.近距离煤层采空 区下巷道支护技术研究与应用 [J]. 煤炭工程,2015,47 （02） 37- 40. [3] MT /T1104－2009， 中华人民共和国煤炭行业标准煤巷 锚杆支护技术规范[S]. [4] 康红普.煤巷锚杆支护成套技术研究与实践[J].岩石力学 与工程学报,200521161- 166. [5] 范明建. 锚杆预应力与巷道支护效果的关系研究[D].煤炭 科学研究总院,2007. [6] 康红普,姜铁明,高富强.预应力在锚杆支护中的作用[J].煤 炭学报,2007 （07） 680- 685. 作者简介 张步元 （1990-） ， 男， 山西古交人， 2014 年 6 月毕业于阳 泉职业技术学院煤矿开采技术， 现从事煤矿生产技术工作。 （收稿日期 2018- 9- 13） 3 ChaoXing