下覆煤层开采大巷围岩动态稳定性控制技术

［摘要］本文在分析了煤矿保护煤柱开采造成影响的同时，根据—115大巷下覆的11、13层煤的赋有条件和顶底板岩性，对开采11、13层煤可能引起的大巷围岩变形进行了分析，确定大巷位于弯曲下沉带内，并提出了大巷提前加固方案和支护参数，开采后通过矿压观测，—115大巷完全能满足安全生产的需要，具有很好的社会经济效益和广泛的推广应用价值。

［关键词］大巷下覆煤层；开采；大巷围岩；稳定性控制

煤炭开采的过程中，为了保证生产系统的完善，在井下留设大量的保护煤柱。这些煤柱，兼有支撑和隔离的作用。随着矿井开采广度的增加，这些煤柱就成为井田范围内孤立的支撑体，整个开采范围的下沉将给这些煤柱以巨大的矿山压力。使煤柱体垂直范围内岩石挤压，巷道变形和煤柱体的损坏，造成严重的巷道失修和维护困难。实践表明：当井田内遗留的这些煤柱突然失效时，会造成煤矿安全事故，并引起地表沉降异常加剧，破坏地表建筑物和地面生态环境。这类现象在美英等国一些煤田的几十年前的老采区上方时有发生。我国也有部分煤矿因煤柱屈服引起覆岩与地表的急剧沉降，甚至于小型的地震。开采这些煤柱使其与其它区域同步下沉，使煤柱所保护的巷道安全有效使用是我们要解决的重要问题。解决巷道保护煤柱的安全开采方法有两个：一是跨巷开采，二是下覆煤层的开采。跨巷开采已有很成熟的经验，下覆煤层开采尚在起步阶段。开采大巷下覆煤层的关键是大巷围岩稳定性的控制，现以-115大巷为研究对象进行下覆煤层开采巷道稳定性技术研究。

1 -115大巷的围岩地质条件

-115大巷是矿井-115水平的主要运输巷，担负-115水平五采区、六采区的运煤通道和行人。该巷道位于6层煤附近的砂岩、粉砂岩中与岩层夹角8°，断面12.5m2，锚喷支护，锚杆间距1000×1000mm，喷厚100mm，锚杆规格￠14×1600，金属锚杆，埋深300m,巷道于1985年施工完毕。115大巷标高-105m,上部2层、4层均已开采完毕，6层煤于2001年开采，与—115大巷留设煤柱30m。巷道下覆煤层有11层、13层和15层。主要研究11层煤和13层煤开采条件下—115大巷的稳定性控制技术。巷道围岩及下覆岩层柱状及性质见表1。

—115大巷岩层综合柱状及围岩性质

11层煤上距6层煤平均92.25m，煤厚平均1.66m，煤层结构简单，煤厚稳定。倾角15°，顶板为深灰色粉砂岩，平均厚4.0m，老顶为灰白中细砂岩，平均厚18.Om，底板为粉砂岩，厚为2.5m。-115大巷下开采61104工作面，该面标高-173～-264m，面长600m，斜长80～120m，采用走向长臂法开采，炮采机运，全部垮落法管理顶板。

13层煤上距11层煤平均37.88m，煤层平均厚1.41m，夹矸厚度0.2～0.4m，某层结构复杂，倾角15°，煤层顶板4层石灰岩，平均厚度6.42m，上部含泥质较多的黄色灰岩，厚约1.5m，中部为灰色质纯石灰岩厚3.0m左右，下部为深灰色灰岩，夹2～3层燧石，底板为灰白色细砂岩。大巷下开采工作面为61303工作面，于61104正下方，标高-190.6～-278m。该面长600m，斜长100～140m。开采方式为走向长臂式开采，矸石条带充填(条带间距15m)。

工作面切眼位置为落差45m的正断层，61104、61103切眼位置均处此断层附近，该断层斜交于61104面61103面和-115大巷。

2 大巷围岩变形设计

11层距-115大巷68m以上，根据采面三带计算：11层开采后，大巷处于弯曲沉降带，13层开采后，大巷仍处于弯曲沉降带。

图1–115大巷平面布置图

图2–115大巷与上、下组煤层的剖面关系示意图

(1)-115大巷在11层煤开采后，其变形方式以下沉为主，在围岩变形过程中，巷道围岩出现顶底板的上下沉降不均，造成巷道围岩破碎和岩石结构变化，整体强度降低，并出现局部应力不均衡片帮现象，开采时必须捡矸和进行初次支护，巷道下沉系数按0.6即下沉0.996m。

(2)-115大巷在13层开采时，由于开采时煤层夹矸均取出垒矸石带支护顶板，夹矸0.2～0.4m取出后进行垒矸，工作面下沉系数为0.3，下沉值为0.429m。此时，-115大巷已经受11层采面影响，巷道围岩处于整个松散体之间造成巷道整体下沉，下沉时巷道围岩变化要小于11层煤开采时，可能由椰分地段漏矸。两层煤完全开采大巷下沉值为0.996+0.429=1.425m。  
  
(3)断层处由于受采面开采影响，将成为巷道剧烈变化区，由于先开采11层后开采13层，将造成断层变化带的逐步外延拉长，综合以上分析，-115大巷最大沉值为1.425m，变化最剧烈地段在断层带以外形成。

3 采面开采前的预加固

在-115大巷的维护中，应将巷道围岩视为相互联系的有机整体，将其变形视为开挖引起的整个围岩力学效应的宏观表现，对围岩任何部位的力学作用都会影响到巷道各部位，并产生不同的力学效应。锚杆是通过对巷道浅部围岩的有效加固来控制围岩变形的，当锚杆特性、锚固形式、支护参数及锚杆布置变化时，锚杆控制围岩变形的效果必然发生变化，故在试验巷道维护中应遵循以下原则。

3.1 强化顶部围岩保证安全 

-115大巷在下部煤层开采前由于锚杆锈蚀变动影响已产生不同程度的破坏，因此在巷道围岩中存在大量的软弱层理，当下部煤层开采时，巷道的整体下沉将造成巷道顶部围岩产生不协调变形，其中相当一部分为下位岩层的离层变形，临空面稍大就易发生冒落，并可能导致顶部岩体的整体失稳，故强化顶部岩体以尽量抑制其发生冒落，并促使顶部围岩形成相互约束的承载结构。

3.2 加固两帮实现围岩稳定由于巷道变形是个动态稳定过程，上覆岩层的载荷是通过两帮传递到底板的，两帮的大范围破坏必然导致底板压曲变形的显著增加，加固两帮可以明显保证顶板安全，因此，控制巷道两帮围岩的变形破裂对提高试验巷道围岩整体稳定性是必须的。

3.3 合理选择锚杆及锚固形式针对-115大巷的条件，巷道围岩的整体稳定性对围岩变形十分敏感，因此必须采用高强度螺纹钢锚杆，并采用全长或加长锚式，才能有效抑制围岩变形，这也是高强度锚杆发挥作用的基础。

3.4 配套必要的安全监测技术锚杆支护的安全监测技术是高强度锚杆支护技术的一部分，是应当始终坚持采用的必要手段之一，它主要包括如下3各方面： 

①锚杆工况的检测，主要是监测锚杆的实际受力状况，特别是初锚力大小。

②巷道围岩深部变形的监测，及时监测巷道周边围岩的变形状况，可以直观地评价巷道安全性，便于及时采取措施。

③支护效果的评价，主要是监测巷道围岩的表面变形，反馈信息，进一步优化支护参数。

4 大巷加固方案的优化设计

根据巷道变形控制效果好、安全可靠、易于施工、支护费用低的原则，进行-115大巷加固方案及其锚杆支护参数设计。

大巷锚杆加固的主要参数及其取值范围初步确定如下。

4.1 锚杆材质

一般的，根据国内锚杆使用情况，以锚杆杆体屈服强度T为依据，将锚杆分为3类。普通锚杆：T＜340mpa；高强度锚杆：T=340～600mpa;超高强度锚杆：T＞600mpa。

常用的T=240mpa的Q235钢制作的锚杆，其强度不能满足受-5岩石大巷岩的大变形特点。必须使用杆材为20Mnsi的建筑螺纹钢高强度锚杆。

螺纹钢锚杆与普通的圆钢锚杆相比具有更大的表面积，因而也具有更好的锚固性能。对软弱破碎岩体来说，螺纹钢锚杆不同的表面结构其锚固性能也有较大的差异。

较高的锚杆支护强度需要锚杆较高的力学特性来保证，锚杆杆体、锚尾及托板做为一个整体，其强度只有配套才能真正发挥其高性能的特点。

因此，高性能的锚杆要求锚杆杆体、锚尾及托板均达到高强度。因此，在-115岩石大巷中的螺纹钢锚杆宜选用无纵筋的左旋锚杆，其拉拔力一般可达到90KN，有利于锚杆支护体系实现高支护强度的要求。

4.2 锚杆直径

为有效控制巷道围岩变形，锚杆必须给予围岩足够的支护阻力。锚杆材质一定时，支护阻力的大小与杆体半径的平方成正比，也就是说，直径越大，支护阻力和锚杆支护系统刚度越大，对支护越有利。另一方面需考虑锚杆直径与钻孔孔径的合理匹配，研究表明，钻孔与锚杆直径相差6～12mm，锚固力较大。考虑经济因素，钻孔小，树脂药卷用量少、钻孔速度快，成本相应较小。考虑施工机具因素，目前常用的锚杆钻孔孔径为28mm。综合考虑已有的锚杆支护实践，初步确定锚杆直径取值范围：18～20m。

4.3 锚杆长度

锚杆长度是锚杆支护参数中的关键参数之一，就巷道支护整体结构而言，锚杆长度太短，在巷道围岩内形成的加固厚度较小，不利于巷道顶板的稳定。依据巷道埋深、地质条件以及巷道断面尺寸和生产技术条件初步确定：锚杆长度

4.4 锚杆间排距

锚杆支护间排距是锚杆支护的关键参数之一，对巷道支护整体结构而言，间排距过大，巷道围岩内形成的加固厚度较小，甚至不能形成连续的承载结构，难以有效控制巷道围岩变形。根据地质条件、巷道断面尺寸和生产技术条件初步确定间排距取值范围0.8～1.0m。

4.5 预紧力

锚杆预紧力对控制巷道围岩变形有很重要的作用，施加一定预紧力的锚杆支护为主动支护，可以使围岩的应力状态向三向应力状态转化。在巷道变形初期，围岩沿破裂面滑移阻力较大，锚杆预紧力可以避免围岩力学性质过早恶化，有效抑制巷道围岩破裂区向深部发展，提高围岩的径向约束能力和抗剪能力，发挥围岩的自身承载能力，提高稳定性。确定顶板锚杆预紧力大于20KN，要求锚杆螺母上紧扭距不小于150N·m。

4.6 锚固剂及锚固长度

锚固剂采用树脂药卷，锚杆都使用两支树脂药卷加长锚固。

4.7 锚杆支护附件

包括金属网、钢筋梯子梁等。为保证围岩破碎不漏矸石高应力下不撕裂网，钢筋梯子梁采用直径为16mm的圆钢焊制，金属网为10#铁丝编制的菱形网。采面开采前对巷道进行锚网梁支护，锚杆直径为Φ18×2200，钢网护邦，梯子梁压网，锚杆间排距800×1000mm，因巷道在采面开始后将会出现动态平衡，暂不进行喷浆。

5 大巷采后变化

在11、13完全采空区域，巷道无明显变化，巷道变形较大，在断层边缘和采空边缘，围岩出现变化较大。 

(1)11层开采后，巷道顶板和围岩出现喷层脱落，岩石变碎，顶板出现网兜，巷道地角部出现垂直剪切现象，断层和弱面出现喷层脱落。 

(2)13层煤开采后，巷道变化较小，顶板网兜增多，其顶底板下沉值进一步增加。

根据定点观测，-115大巷最大下沉值为1.1m11层采空边缘处为0.46m。变形原因：-115大巷开采后，巷道围岩的塑性区很大，垂直下覆煤层的采空区，而且造成围岩提前破碎、围岩收敛，局部达2.0m以上，此时大巷的围岩稳定性主要取决于加固方案的好坏。

6 经济社会效益

(1)通过对-115水平运输大巷进行加固支护，成功采出其下覆煤层61104东工作面、61303东工作面，共采出煤炭12万t。

(2)过对巷道进行岩移和矿压联合观测，综合分析巷道的变形情况，利用煤层开采岩层塌陷、移动规律，研究大巷下覆煤层开采岩层移动和变化及大巷动压变形规律，掌握巷道下覆煤层开采岩层移动系数和围岩变化情况，确定巷道变形值与破坏程度之间的关系及顶板管理方法，及时对巷道进行维修，确保安全生产，为泉沟煤矿的开采沉陷研究工作奠定基础。

(3)泉沟煤矿六采区-115大巷在下覆煤层保护煤柱回收过程中实现有效维护的困难点在于：巷道受重复采动影响、巷道处于采场的弯曲下沉带中、大巷围岩变形是动态拉压交替的变形过程、大巷的有效维护是个动态控制过程。

(4)泉沟矿大巷下压煤共有100多万t,通过-115大巷下煤柱开采，积累了丰富的开采经验，为今后的大巷上覆和下覆煤层的开采提供了可靠的技术理论依据，增加矿井的有效可采煤层储量，进一步延长矿井的服务年限，为矿井的非煤发展提供强大的资金支持，因此具有显著的社会效益和广阔的应用前景。

(5)-115大巷加固技术的关键在于：高强度的螺纹钢锚杆加固巷道围岩，使巷道表面围岩形成一个整体，控制巷道的基本变形：通过架设钢筋梯子梁和铺网等措施防止巷道围岩局部的脱落，并保证锚杆发挥其整体承载能力，最大限进一步增加。度的减少巷道围岩恶化和锚杆施工造成的锚杆失效问题。

(6)-115大巷锚杆加固方案：锚杆规格Φ18×2200mm的全螺纹钢等强锚杆，锚杆间排距为800×1000mm，每根锚杆使用两块树脂药卷，锚杆锚固力≥70KN；金属网采用9000×1000mm的机织菱形网，配套使用钢筋梯子梁。对该方案进行的数值计算结果表明，-115大巷在采用新的加固方案后，巷道在下覆11、13煤层采动影响时，巷道虽会发生较大程度的整体下沉，但围岩本身的唯一量并不大，巷道可以满足安全生产的要求。

(7)取场工业性试验表明，-115大巷合理保护的前提下，开采下覆煤层可以创造直接经济效益689.5万元(吨煤价格按240元/t，吨煤综合成本180元计算)。对-225大巷下覆煤层保护煤柱开采成功，为泉沟煤矿其它大巷下压煤问题的解决提供了良好的基础；同时，对其它资源枯竭矿区、矿井，或类似条件下大巷压煤问题的解决提供了参考。因此，该工程实践不但具有显著的经济效益和社会效益，也有很大的推广应用价值，对矿区和矿井的可持续发展提供了新的途径。