采空区下覆煤层巷道稳定性分析及支护优化

李利军

(山西焦煤 介休正益煤业有限公司， 山西 介休 032000)

对于煤层群开采，当煤层层间距较大时，上层煤开采后对下层煤的开采影响程度较小，其矿压显现规律、开采方法不受上部煤层开采影响，与普通单一煤层开采基本相同。但是，随着煤层间距的减小，上下煤层开采的相互影响会逐渐增大，特别是当煤层间距很近时，下层煤开采前顶板的完整程度受上层煤开采损伤影响，其上又为上层煤开采垮落的岩石，以致下层煤开采区域的顶板结构和应力环境发生变化，受上层煤开采扰动，底板裂隙会大量发育扩展到下层煤顶板乃至煤体内，使下层煤巷道的围岩体呈现破碎松散状态，围岩强度出现大幅降低，与上部煤层采空区沟通，造成工作面漏风，上层煤采空区积水会沿着底板裂隙流入下层煤巷道，回采巷道的矿山压力显现明显，巷道围岩移近量大，支护困难，工作面极易发生顶板冒漏事故[1]. 介休正益煤矿11#煤层作为已采9#煤层的下层煤，其巷道围岩变形严重、支护困难。鉴于此，以该矿11#煤层为工程背景，分析采空区下覆煤层巷道围岩力学状态及参数，建立层状破碎顶板巷道锚杆(索)支护力学模型，确定支护参数，提出支护优化方案，为破碎围岩的合理有效控制提供参考。

1 工程概况

正益煤业11#煤层平均埋深100 m，平均厚度为3.19 m，平均倾角17°，与上覆已采9#煤层的平均间距为17.84 m. 煤层在井田内分布稳定，中部较薄，向四周逐渐增厚，在西北部有断失。煤层结构简单，一般含1～2层夹矸，以泥岩、炭质泥岩为主，夹矸总厚度平均为0.52 m. 煤层直接顶为细砂岩时，自然抗压强度41.30 MPa，饱和抗压强度25.76 MPa，抗拉强度1.47 MPa，抗剪强度3.14 MPa，内摩擦角22°，内聚力10.90 MPa；直接顶为砂质泥岩时，自然抗压强度33.83 MPa，饱和抗压强度19.61 MPa，抗拉强度1.62 MPa，抗剪强度3.92 MPa，内摩擦角29°，内聚力8.39 MPa；基本顶为石灰岩，自然抗压强度39.60 MPa，饱和抗压强度20.20 MPa，抗拉强度1.61 MPa，抗剪强度3.75 MPa，内摩擦角32°，内聚力7.30 MPa；煤层无直接底，基本底为石灰岩，自然抗压强度49.75 MPa，饱和抗压强度20.40 MPa，抗拉强度3.00 MPa，抗剪强度6.13 MPa，内摩擦角37°，内聚力11.70 MPa. 采煤工作面长80～150 m，采高3.20 m，回采巷道沿煤层底板掘进，其宽3.80 m，高2.70 m.

2 巷道围岩状态分析

h=0.303L0.8

根据矿井情况，L取150 m，计算得h=16.70 m，而11#煤层与9#煤层相距17.84 m，这表明9#煤层的底板破坏已基本延伸覆盖了整个11#煤层的顶板，顶板处于破裂松散状态。通常，破碎和极破碎岩体的强度宜依据破裂面的间距、宽度、产状及组合，在试验法所确定的强度基础上进行折减，即乘以0.1～0.2的折减系数。加之矿井岩系以石灰岩层居多，可溶性的石灰岩富含地下水，水的作用软化了岩层，使其强度进一步降低。因此，结合工程概况综合考虑破坏带与地下水的影响，对11#煤层顶板力学参数进行修正，结果为：抗压强度5.99 MPa，抗拉强度0.31 MPa，抗剪强度1.54 MPa，内聚力1.77 MPa，内摩擦角28°.

选取稳定性指数N与围岩移近量Q作为巷道围岩稳定性的分类指标。稳定性指数N是指巷道开掘前所处位置的最大主应力和围岩单轴抗压强度的比值。忽略煤层的水平构造应力，则最大主应力就是垂直自重应力。由煤层埋深100 m以及其上覆岩层平均容重γ=25 kN/m3，可计算出最大主应力为2.50 MPa，取煤层顶板单轴抗压强度5.99 MPa，则N=2.50/5.99=0.42. 围岩移近量Q指裸巷巷道表面位移收敛量，其观测值达到300 mm以上。可见，稳定性指数处于0.40～0.65，且围岩移近量大于200 mm，故可判断巷道围岩为不稳定围岩。

3 巷道支护的梁拱模型

因采空区下巷道顶板完整性受损，顶板力学行为既具备岩梁特征又具备冒落拱特征，即顶板呈现岩梁拱结构，见图1.

b—巷道宽度 h—巷道高度 h1—被支护的顶梁厚度 H1—自然冒落拱拱高 a—巷帮对顶梁的支撑宽度 φ—围岩体内摩擦角 q1—上覆岩层对顶梁的均布荷载 q2—巷帮对顶梁的均布荷载图1 巷道顶板梁拱结构模型图

根据岩梁的受力平衡条件可知：q2=q1(2a+b)/2a. 由材料力学理论可知，岩梁弯曲断裂是由内力弯矩M引起的，因此需求得岩梁在外载q1和q2作用下的弯矩分布。

假设岩梁的任意截面为x，则：

3.3.2 田园生活规划 田园生活规划包含公共服务和社区治理。在公共服务方面应规划建设社区服务中心，可为居民提供医疗卫生、公共教育、社会保障、技能培训、文化体育等基本服务。针对老年人可配套养老院或设置田园生态休闲区，实现田园养老。宜可建设停车场、公厕、社区公共服务综合信息平台等，既方便居民生活又能实现信息共享。在社区治理方面，建立健全社区建设、运行管理、服务等制度，落实社区公共安全体系，做好突发公共安全事件的防范与处理机制，保证居民的人身和财产等安全。

将上式绘制成弯矩图，见图2.

图2 顶板岩梁弯矩图

当σ=[σ]([σ]为岩梁抗拉强度)时，可求解得：

(1)

令顶锚杆间距w1=0.85 m，则顶锚杆长度l1[3]为：l1=h1+w1=1.43+0.85=2.28 m，取2.4 m

令帮锚杆间距w2=0.80 m，则帮锚杆长度l2=a+w2=1.63+0.80=2.43 m，取2.5 m

顶锚索长度l3按自然冒落拱拱高H1确定，H1=(b+2a)/2f=4.41 m，其中f为顶板岩层平均普氏系数，取0.8；锚索间距w3取2.0 m；锚索锚固在拱外长度h2取0.5 m；锚索外露长度h3取0.2 m，则：

0.5+0.2=6.21 m，取7.0 m

4 巷道支护参数优化

综合上述主要支护参数，结合工程经验，提出如下回采巷道支护优化参数。支护断面图见图3.

图3 巷道支护断面图

1) 锚杆支护。

顶锚规格为d20 mm×2 400 mm左旋螺纹钢锚杆，配CK2340和Z2388锚固剂各一个。顶网(网孔规格为50 mm×50 mm)为4 m×0.9 m，配备长3 600 mm、宽180 mm、厚3 mm(5孔、孔间距为850 mm、孔规格为60 mm×30 mm)的W钢带。采用100 mm×100 mm×8 mm×22.5 mm金属方形垫片，锚固力≥80 kN. 顶锚杆采用“五五”布置，间排距为850 mm×800 mm.

帮锚规格为d16 mm×2 500 mm小花金属锚杆(端头麻花长度为200 mm，宽度为25～27 mm)，配备一卷CK2340锚固剂。帮网(网孔规格为50 mm×50 mm)2.4 m×0.9 m，配2.2 m长(3孔、孔间距为1 000 mm、孔规格为100 mm×30 mm)钢筋梁。采用d 130 mm×8 mm×20.5 mm金属碟形垫片，锚固力≥30 kN. 帮锚杆每帮每排“三三”布置，间排距为800 mm×800 mm，第一根帮锚杆距顶板为200 mm.

2) 锚索支护。

锚索为d17.8 mm，1×7股高强度低松弛预应力钢绞线，长度7 000 mm，采用树脂加长锚固，选用CK2340和Z2388树脂锚固剂各两根。锚索间排距2 000 mm×24 00 mm，锚索安装在两排锚杆间顶板中部。用300 mm×300 mm×16 mm×20.5 mm拱形高强锚索托板，托板高不低于60 mm，配调心球垫。锚索破断载荷为160～260 kN,极限强裂度在350 kN以上。

5 巷道支护效果观测

在回风巷内布置测点，观测巷道顶底板和两帮移近量，并进行顶板离层和锚杆拉力监测。顶底板移近量采用顶板动态仪观测，两帮移近量采用米尺观测，顶板离层观测采用ZBY-2型顶板离层指示仪，锚杆受力观测采用XS-169型锚杆压力计。观测结果见图4，5,6，7.

图4 巷道顶底板移近量曲线图

图5 巷道两帮缩近量曲线图

图6 巷道顶板离层量曲线图

图7 巷道支护锚杆受力曲线图

由图4可知，巷道顶底板移近量为25 mm，移近量在距工作面30 m以外处变化不大，在距工作面30 m以内变化明显，移近速度明显加快。由图5可知，两帮缩进量为130 mm，缩进量在距工作面40 m时开始增大，在距离工作面20 m以内达到最大。总体看，顶板累计下沉量小于50 mm，最大下沉速度未超过6 mm/d；两帮累计收缩量小于150 mm，最大收缩速度未超过3 mm/d，说明巷道位移在可控范围。由图6可知，离层主要发生在顶板0～2 m，2～6 m有2 mm的轻微离层。距工作面20 m处顶板离层开始较明显地增加，距离工作面10 m处离层达到6 mm. 由图7可知，锚杆压力计读数在距工作面25 m外变化较小，但总体为增大趋势，说明顶板有一定的下沉及离层，但尚未对锚杆产生明显的拉伸作用，锚杆对顶板下沉和离层的抑制作用比较小；在距工作面25 m以内，锚杆压力计读数明显加大，这是因为受工作面开采影响，顶板压力显现明显，产生较强的下沉与离层趋势，此时锚杆对顶板的离层产生抑制作用，故读数增大。从锚杆压力计读数以及回采巷道顶板离层仪读数综合分析来看，顶板离层量较小，锚杆压力计具有一定的读数，说明锚杆(索)对顶板离层的产生和顶板下沉起到了很好的抑制作用，支护效果良好。

6 结 论

1) 计算了正益煤业11#煤层顶板因上覆煤层开采造成的破坏深度，分析了该煤层回采巷道围岩强度弱化的原因，修正了围岩力学参数，并以巷道围岩收敛量和围岩稳定性指数为指标，对巷道围岩类别进行了判定，为锚杆支护优化提供基础参数。

2) 构建了确定采空区下11#煤层巷道支护参数的梁拱模型，提出锚杆+锚索的支护参数优化方案，通过对支护后巷道顶底板移近量、两帮收缩量、顶板离层及锚杆受力的观测，证明巷道围岩变形符合规程要求，支护效果良好。