上覆含水采空区近距离煤层巷道支护技术研究与应用

李建荣 薛旭辉

（1.霍州煤电集团白龙矿建公司，山西 霍州 031400；2.霍州煤电集团技术研究院，山西 霍州 031400）

对煤层群的开采方式一般为下行式开采[1-3]，采用这种开采方法可导致下伏煤层工作面处于采空区下，下伏煤层工作面的开采会使采空区围岩体发生再次应力扰动，且工作面上方的采空区可能存在大量积水，给巷道围岩支护带来一定的困难[4-5]。本文结合团柏煤矿11-101上覆含水采空区煤巷工作面地质条件，进行了支护设计及参数优化，并对支护效果进行了分析。

1 工程概况

11-101工作面为团柏煤矿11煤层设计的首采工作面。11-101工作面上方为10煤层采空区，该区域10、11煤层平均层间距5.4m，且采空区局部区域有较严重的积水现象，11-101工作面顺槽属于采空区下近距离煤巷工作面。11-101工作面顺槽掘进过程中的特点如下：

（1）11#煤层首采工作面回采巷道处于10#煤层采空区下，由于煤层顶板岩层厚度较小，且靠近10#煤层采空区下的部分岩层因采动影响而碎裂，部分薄顶板区域锚杆锚固段条件差（部分区域无法施工锚索）。

（2）10#煤层采空区遗留煤柱（如区段煤柱）较多，11#煤层可能有巷道穿过10#煤层残留煤柱区域应力集中区，该处巷道的矿山压力显现将十分剧烈，煤柱下巷道支护必须采取髙强高预紧力耦合支护方式。

（3）10#煤层采空区低洼点积水，11#煤层巷道掘进过程中应采取有效的疏放水措施，并且工作面设计尽量采用利于疏水的布置方案，巷道锚杆支护的锚固设计应充分考虑到锚固方式的防水要求。

（4）11#煤层厚度较大，为实现机械化高效开采，巷道断面大（巷道宽度和高度均大），若顶板留顶煤困难，对于大厚度煤层区域需沿顶留底煤掘进（如果11煤层粘顶，尽量留顶煤沿底掘进，此时锚杆支护的技术要求更加严格）。

2 支护设计与参数优化

2.1 计算模型与计算参数

为分析和优化11-101工作面顺槽掘进支护参数，在有限元软件中建立了分析模型，模型具体参数为：计算巷道宽度4.3m，计算巷道高度2.7m，计算深度，巷道埋藏深度按350m计算。

2.2 锚杆类型与支护结构的确定

由于11#煤层掘进巷道上部的10#煤层已开采，且留下了部分煤柱，顶板控制的关键是：

（1）组合梁：根据组合梁理论，采用高强度高预紧力锚杆将巷道顶煤以及顶板岩层组合成一个完整的组合梁，以提高该组合岩层的自承载能力。

（2）悬吊：由于上部采空区的存在，采用长锚索悬吊在此特殊地质条件下是不可能实现的。因此，为悬吊和限制锚杆加固范围内的组合梁，采用锚索钢梁系统是较好的选择。

最终支护方式：高强预紧力锚杆+锚杆钢梁系统。

2.3 锚杆长度分析

通过在模型中分析11-101工作面顺槽围岩的应力分布、其最大最小主应力情况，可得出11-101工作面顺槽的摩尔库伦安全系数，并对安全系数进行模拟分析，如图1所示。从图中可以看出巷道顶板0.9m左右的安全系数低于1.0。

图1 巷道周围安全系数分布

从有限元模型分析中得知，锚固的最小长度应为0.9m，根据此限制，综合井下实际的岩性变化（钻孔资料显示，11#煤层顶板为不稳定岩层及中等稳定岩层），考虑一定的安全系数，选择顶板锚杆长度为2.4m。

2.4 锚杆预紧力的确定

锚杆的预紧力是锚杆支护的重要参数，对支护效果有较大的影响，合适的锚杆预紧力应达到以下支护效果：（1）顶板岩层中无离层发生；（2）顶板岩层中的拉应力区和拉应力值应尽量小。

模型计算所选取的锚杆排距1.0m，为了获得最佳的预紧力值，通过改变锚杆支护系统的预紧力，进行支护设计参数的优化计算，运行结果如下：

（1）30kN预紧力

图2为预紧力为30kN时的围岩应力及变形情况。如图所示，在预紧力为30kN时，虽然围岩没有发生离层及大的位移，但是在巷道上方1.2m左右存在拉应力区，为提高锚固效果应增强预紧力来减小拉应力分布范围。

图2 围岩应力分布与围岩变形计算结果（30kN预紧力）

（2）40kN预紧力

结合上一步的分析将预紧力调整为40kN，此时围岩的应力和变形情况如图3所示。从图中可以看出，围岩无离层及大变形，且拉应力区范围大大减小。因此，锚杆预紧力应不低于40kN。

图3 围岩应力分布与围岩变形（40kN预紧力）

2.5 锚杆直径的确定

根据以上的锚杆预紧力，考虑围岩的应力大小，选取1.5倍的安全系数。经计算，锚杆选用Q500直径18mm，其杆体的力学性能为：理论屈服强度大于127kN，理论抗拉强度大于180kN。

3 现场应用及支护效果分析

3.1 试验巷道支护方案及其参数

（1）锚杆支护

顶锚杆参数：Φ18×2400mm，Q500矿用高强螺纹钢，屈服强度＞127kN，抗拉强度＞180kN，预紧力4kN以上（对应的安装扭矩需做井下试验确定），树脂锚固剂CK2340一支、Z2388一支（根据井下实际情况，确定是否采用防水锚固剂），锚杆排距900mm。

帮锚杆参数：Φ18×2200mm，Q500矿用高强螺纹钢，屈服强度＞127kN，抗拉强度＞180kN，预紧力4kN以上（对应的安装扭矩需做井下试验确定），树脂锚固剂CK2340一支、Z2388一支，锚杆排距900mm。

（2）锚索钢梁系统

锚索类型为矿用笼型锚索，锚索直径为17.78mm，最大破断力＞360kN，锚索长度为5000mm，蝶形垫片规格130×8，树脂锚固剂选用Z2340×2+Z2388（根据井下实际情况，确定是否采用防水锚固剂），锚索钢梁选用11#槽钢，长度2200mm。支护设计方案如图4。

图4 试验巷道支护设计

3.2 观测结果分析

为分析优化后的支护方案的效果，在巷道顶底板及两帮布置了位移测点，且每隔一定距离设置位移观测站，由专人进行观测和记录位移数据。巷道位移观测结果如图5所示。

图5 工作面进风巷顶板及两帮位移

由图5可知，11-101煤巷掘进工作面顶板最大位移量发生在距离工作面约100m处，位移量为65mm，之后位移量趋于稳定，两帮最大位移量约为45mm，两帮位移曲线整体规律与顶板位移曲线相同。在11-101上覆采空区煤巷掘进工作面采用的支护技术达到了应有的支护效果，保障了煤巷工作面的安全。

4 结论

（1）结合11-101上覆采空区煤巷工作面地质条件，选取了合理的支护方式，建立了有限元模型，对锚杆长度、预紧力等参数进行了设计和优化。

（2）根据优化参数，确定了最终支护方案，并在巷道内进行了相关试验，得出了巷道顶底板及两帮的位移量。数据表明，该支护方案取得了较好的支护效果。