郝登云，吳擁政，陳?？?，褚曉威，李 楊

(1.天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013; 2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013; 3.山西世德孫家溝煤礦有限公司，山西 忻州 036600; 4.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083)

我國(guó)許多煤田均含有多層距離比較近的可采或局部可采煤層，對(duì)這些近距離煤層的開(kāi)采主要以下行開(kāi)采為主[1]。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐和研究表明[2-6]，近距離煤層群下行開(kāi)采時(shí)，上下煤層開(kāi)采的相互影響使得下部煤層開(kāi)采與單一煤層開(kāi)采相比要更加復(fù)雜和困難，特別是回采巷道維護(hù)、工作面頂板管理等。國(guó)內(nèi)許多專家學(xué)者對(duì)近距離煤層群開(kāi)采回采巷道布置方式及支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入研究，得到了非常有價(jià)值的研究成果。文獻(xiàn)[7]研究了近距離煤層群下位煤層沿空留巷布置，認(rèn)為上位煤層開(kāi)采后在采空區(qū)正下方出現(xiàn)一定范圍的應(yīng)力降低區(qū)，為沿空留巷的布置創(chuàng)造了條件。文獻(xiàn)[8]研究了近距離煤層綜放回采巷道圍巖受力狀況，認(rèn)為煤柱底板的應(yīng)力分布具有明顯的非均勻性，下位煤層巷道在非均布荷載作用下，更容易出現(xiàn)局部拉應(yīng)力過(guò)大，從而造成巷道變形破壞。文獻(xiàn)[9]研究了近距離下層煤采場(chǎng)頂板結(jié)構(gòu)與控制以及回采巷道礦壓顯現(xiàn)問(wèn)題，認(rèn)為由于上層殘留煤柱與本層煤回采引起的應(yīng)力耦合作用，下層煤回采巷道變形量較大，采取合理布置回采巷道與減小區(qū)段煤柱寬度是維護(hù)巷道最有效的措施。文獻(xiàn)[10]研究了近距離煤層群回采巷道變形與支護(hù)問(wèn)題，認(rèn)為上煤層煤柱的大小、下煤層回采巷道的位置以及支護(hù)強(qiáng)度是影響巷道穩(wěn)定與否的關(guān)鍵。但是，對(duì)上層煤已全部開(kāi)采，下層煤在采空區(qū)條件下進(jìn)行特厚煤層綜放工作面開(kāi)采情況研究的不多，可借鑒的資料和經(jīng)驗(yàn)較少，因此，有必要對(duì)此類條件的煤層開(kāi)采進(jìn)行研究。

以孫家溝煤礦為研究背景，采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等研究手段，對(duì)近距離煤層采空區(qū)下特厚煤層(13 m)綜放開(kāi)采回采巷道失穩(wěn)機(jī)理和穩(wěn)定性控制進(jìn)行了研究，期望為類似條件巷道布置提供一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

1 采空區(qū)下回采巷道穩(wěn)定性影響因素

1.1 工程概況

孫家溝煤礦11號(hào)煤層位于太原組中部，煤層厚度1.75～2.46 m，平均2.19 m。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不含夾石，為穩(wěn)定的全區(qū)可采煤層。13號(hào)煤層位于太原組中部，煤層厚度7.35～15.45 m，平均13.05 m，煤層含1～4層夾矸，為穩(wěn)定的全區(qū)可采煤層，煤層傾角1°～6°，為近水平煤層，平均埋深為250 m。

目前孫家溝煤礦主采13號(hào)煤層，距上部11號(hào)煤層 14 m左右，且11號(hào)煤層已開(kāi)采，屬于典型的采空下近距離特厚煤層開(kāi)采。工作面采用走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化低位放頂煤采煤方法，采高3.0 m，放煤高度10.05 m，按一刀一放的正規(guī)循環(huán)作業(yè)，循環(huán)進(jìn)度、放煤步距都為0.8 m，采用自然垮落法管理采空區(qū)頂板。工作面綜合地質(zhì)柱狀如圖1所示。

圖1 工作面地質(zhì)綜合柱狀Fig.1 Geological comprehensive histogram of working face

11103和11105兩個(gè)工作面已回采完畢，中間遺留15 m的區(qū)段煤柱。13309和13311兩工作面相鄰，分別位于11103和11105兩個(gè)工作面采空區(qū)下方，中間設(shè)25 m寬區(qū)段煤柱，13309工作面的進(jìn)風(fēng)巷位于11103工作面采空區(qū)下方，且緊鄰煤柱;13311回風(fēng)巷位于11103進(jìn)風(fēng)巷正下方。工作面及各巷道空間位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 巷道空間位置關(guān)系Fig.2 Spatial location of roadway

該礦為單一盤區(qū)生產(chǎn)，工作面按順序回采，為了保證正常的采掘銜接，13309工作面回采過(guò)程中，13311工作面的回風(fēng)巷就開(kāi)始迎采動(dòng)掘進(jìn)。掘進(jìn)過(guò)程中13311回風(fēng)巷就出現(xiàn)了冒頂和片幫現(xiàn)象，隨后對(duì)其進(jìn)行錨索補(bǔ)強(qiáng)，并在與13309回采工作面相遇段實(shí)施了注漿加固處理，但巷道支護(hù)效果并不理想。13309工作面回采期間，13311回風(fēng)巷受動(dòng)壓影響，兩幫移近量普遍在2 m以上，頂板下沉和底板底臌同樣明顯，不得不擴(kuò)幫維修，返修工程量大，造成了人力和物力浪費(fèi)，嚴(yán)重影響了礦井正常的安全生產(chǎn)。

1.2 回采巷道失穩(wěn)主要影響因素

1.2.1巷道布置

11號(hào)煤層采出后，回采空間周圍巖層應(yīng)力重新分布，工作面底板形成的卸壓區(qū)以及在遺留區(qū)段煤柱上產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象，成為影響下層13號(hào)煤層回采巷道布置和維護(hù)的重要因素。依據(jù)兩側(cè)采空的煤柱支承壓力在煤層底板巖層的傳遞規(guī)律[11]可知，在不同深度的底板巖層水平截面上，與煤柱越近，應(yīng)力分布范圍越小，但影響程度越大，其影響范圍可用應(yīng)力傳播影響角β表示。為避開(kāi)11號(hào)煤層區(qū)段煤柱支承壓力的影響，13號(hào)煤層工作面回采巷道應(yīng)布置在11號(hào)煤層遺留的區(qū)段煤柱支承壓力影響線之外，即下煤層回采巷道應(yīng)與上煤層區(qū)段煤柱錯(cuò)開(kāi)一定的距離，如圖3所示。

圖3 煤柱支承應(yīng)力在下層煤中影響范圍示意Fig.3 Sketch of the influence scope of coal pillar bearing stress on lower coal seam

由圖3可知，13號(hào)煤層工作面回采巷道與11號(hào)煤層遺留區(qū)段煤柱的水平錯(cuò)距L為

L>(hy+hm)tanβ

(1)

式中，L為巷道與煤柱的水平錯(cuò)距，m;hy為兩層煤之間巖層厚度，m;hm為13號(hào)煤層厚度，m;β為應(yīng)力傳播影響角，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巖層力學(xué)性質(zhì)，取37°。

將11號(hào)煤層和13號(hào)煤層層間距14 m，13號(hào)煤層厚度13.05 m，代入式(1)得到下層煤回采巷道與上層遺留煤柱的水平錯(cuò)距L>20 m，即為有效避免上方遺留煤柱的影響，13311回風(fēng)巷距離上方煤柱邊緣水平距離應(yīng)不少于20 m。事實(shí)上，13311回風(fēng)巷位于11103進(jìn)風(fēng)巷正下方，處在上方煤柱所造成的應(yīng)力增高區(qū)域，因此該巷道的穩(wěn)定性將受到11號(hào)煤采空區(qū)遺留煤柱的嚴(yán)重影響。

1.2.2與鄰近工作面對(duì)采對(duì)掘的影響

孫家溝煤礦工作面采用順采方式進(jìn)行布置，13311回風(fēng)巷需要在13309工作面回采期間開(kāi)始掘進(jìn)，屬于迎采動(dòng)掘進(jìn)。

由于上區(qū)段工作面回采引起的超前支承應(yīng)力影響，巷道圍巖變形隨著掘進(jìn)工作面與上區(qū)段工作面距離的接近呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。隨著掘進(jìn)工作面與上區(qū)段回采工作面的水平相會(huì)，上覆巖層結(jié)構(gòu)劇烈調(diào)整，工作面推過(guò)后直接頂發(fā)生不規(guī)則垮落，基本頂依次出現(xiàn)彎曲下沉、回轉(zhuǎn)、破斷，直至觸矸壓實(shí)后趨于穩(wěn)定[12]。

13311巷道要在未穩(wěn)定采空區(qū)邊緣和強(qiáng)烈動(dòng)壓條件下進(jìn)行掘進(jìn)和支護(hù)，需經(jīng)受鄰近工作面開(kāi)采的全過(guò)程影響，鄰近工作面?zhèn)认蝽敯迤茢嗉盎剞D(zhuǎn)以及強(qiáng)烈的動(dòng)壓作用都將直接影響到巷道的穩(wěn)定性，特別是掘進(jìn)工作面和回采工作面相會(huì)前的40～100 m、相會(huì)后的80～150 m這段巷道，受到鄰近工作面超前和滯后支承壓力的影響，巷道圍巖穩(wěn)定性大大降低，導(dǎo)致13311巷道圍巖變形嚴(yán)重。

1.2.3相鄰工作面回采側(cè)向支承壓力的影響

11號(hào)煤開(kāi)采后，形成充滿采空區(qū)所需直接頂厚度[13]可用式(2)計(jì)算:

(2)

式中，∑h為直接頂厚度，m;M為11號(hào)煤層的厚度，m;K為冒落直接頂?shù)乃槊浵禂?shù)，根據(jù)該礦巖性資料，取1.3。

11號(hào)煤開(kāi)采造成底板破壞的高度Dmax[14]可用下式計(jì)算:

(3)

式中，γ為巖石容重，取25 kN/m3;H為煤層埋深，取250 m;L為工作面長(zhǎng)度，取160 m;Rrmc為底板巖體的單軸抗壓強(qiáng)度，取25 MPa。

13號(hào)煤層開(kāi)采時(shí)充滿采空區(qū)所需要的直接頂厚度仍按式(2)計(jì)算，考慮到該工作面為放頂煤開(kāi)采，工作面頂煤采出率按90%計(jì)算，工作面實(shí)際開(kāi)采高度為11.7 m，則充填滿采空區(qū)所需要的直接頂冒落高度為39 m。

11號(hào)煤層與13號(hào)煤層之間的巖層厚度僅有14 m，11號(hào)煤層開(kāi)時(shí)，底板破壞深度達(dá)3.9 m，因此該巖層會(huì)隨著13號(hào)煤層工作面的開(kāi)采而隨采隨冒，使上下兩個(gè)采空區(qū)聯(lián)通。因11號(hào)煤層只有2.19 m，其采空區(qū)垮落帶高度也僅為9.3 m，兩者之和仍不能達(dá)到所需要的39 m直接頂冒落高度，此時(shí)，11號(hào)煤層采空區(qū)裂隙帶部分巖層將失穩(wěn)冒落，成為新的垮落帶巖層，直到能充滿采空區(qū)，隨后其上的裂隙帶及部分彎曲下沉帶巖層成為新的裂隙帶巖層,如圖4所示。

圖4 13號(hào)煤層工作面?zhèn)认蛑С袎毫Ψ植糉ig.4 Distribution of lateral abutment pressure in coal seam No.13

13309工作面回采后，將在區(qū)段煤柱上形成側(cè)向支承壓力，如果為單一煤層開(kāi)采，其側(cè)向支承壓力為圖4中的紅色曲線所示[15-18];隨著遠(yuǎn)離煤柱邊緣，支承壓力明顯增長(zhǎng)，達(dá)到最大值后，緩慢恢復(fù)到原始應(yīng)力值。孫家溝礦為近距離多煤層開(kāi)采，且下層煤的煤柱位于上層煤的采空區(qū)下，上方為上層工作面的垮落帶巖石，在重新壓實(shí)之前，其承載和傳遞上覆巖層自重的能力較低，導(dǎo)致上覆巖層應(yīng)力向更遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移，13309工作面開(kāi)采后，其側(cè)向支承壓力如圖4中藍(lán)色曲線所示。與單一煤層開(kāi)采側(cè)向支承壓力相比，主要特點(diǎn)是:支承壓力峰值低;壓力下降緩慢，影響范圍大。與上煤層回采巷道重疊布置的13311回風(fēng)巷，因煤柱寬度只有25 m，可能處于側(cè)向支承壓力峰值附近，加大了13311回風(fēng)巷支護(hù)的難度。

1.2.4支護(hù)方式及參數(shù)

巷道的穩(wěn)定性和支護(hù)方式有著密切的關(guān)系，合理的支護(hù)方式將使巷道圍巖穩(wěn)定性大大提高，經(jīng)受得起多次圍巖應(yīng)力的變化。13311回風(fēng)巷巷道頂板布置4根φ21.6 mm×12 000 mm錨索，中間布置1根φ20 mm×2 000 mm錨桿，間排距均為1 050 mm×1 000 mm，錨索預(yù)緊力≥250 kN，頂錨桿錨固力≥70 kN，預(yù)緊扭矩≥150 N·m。巷道煤柱幫側(cè)布置4根φ20 mm×2 000 mm的335號(hào)錨桿，間排距均為1 000 mm，要求錨固力≥50 kN，預(yù)緊扭矩≥120 N·m。工作面?zhèn)葞驮诿褐鶐偷幕A(chǔ)上每隔3排打設(shè)2根φ17.86 mm×5 200 mm的錨索，要求錨索預(yù)緊力≥160 kN。

由于13311回風(fēng)巷沿煤層底板布置，整體圍巖強(qiáng)度較弱，且為對(duì)采對(duì)掘巷道，需經(jīng)受鄰近工作面全過(guò)程動(dòng)壓影響，巷道維護(hù)比較困難。當(dāng)采用了上述巷道錨桿支護(hù)參數(shù)進(jìn)行支護(hù)時(shí)，錨索的預(yù)張力和錨桿的預(yù)緊扭矩都比較低，形成的有效壓應(yīng)力范圍小，導(dǎo)致圍巖維護(hù)效果差，無(wú)法有效控制圍巖變形、確保巷道穩(wěn)定，因此，13311回風(fēng)巷圍巖穩(wěn)定性差與支護(hù)參數(shù)的選擇有著重要關(guān)系。

2 回采巷道穩(wěn)定性研究

2.1 13號(hào)層煤層回采巷道布置方式

近距離煤層上下煤層工作面巷道布置主要有內(nèi)錯(cuò)、外錯(cuò)和重疊布置3種方式。內(nèi)錯(cuò)式布置雖然巷道處在減壓區(qū)內(nèi)，但下層煤區(qū)段煤柱較寬，損失煤炭量大;外錯(cuò)和重疊式布置，雖然減少了部分下層煤區(qū)段煤柱或保持煤柱寬度未變，但下層煤工作面回采巷道都處于高應(yīng)力區(qū)域，維護(hù)困難?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐也證明，采用重疊式布置的13311回風(fēng)巷，圍巖穩(wěn)定性較差，維護(hù)成本高。為此，根據(jù)礦井生產(chǎn)和地質(zhì)條件，提出將13311進(jìn)風(fēng)巷和13313回風(fēng)巷以及兩工作面區(qū)段煤柱全部布置在采空區(qū)下，且13313回風(fēng)巷要處于11號(hào)煤層遺留區(qū)段煤柱支承壓力影響范圍之外的布置方案。

2.2 數(shù)值分析

為分析上層煤遺留煤柱對(duì)下層煤影響特征及確定下層煤合理區(qū)段煤柱寬度，解決現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問(wèn)題，采用大型有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬分析[18]，模型尺寸:400 m×300 m×65 m(長(zhǎng)×寬×高)，11號(hào)煤層厚2.2 m，直接頂厚6 m，基本頂厚8 m，13號(hào)煤層厚13.05 m，上距 11號(hào)煤層14 m，15號(hào)煤層1.7 m,上距 13號(hào)煤層23 m,模型四周邊界及底部固定，在頂部施加5.8 MPa大小的垂直應(yīng)力，側(cè)壓系數(shù)取1.2，模型中巷道平均埋深為250 m。巖石和煤體的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

模型前后左右僅約束水平位移，底部為固定邊界。模擬煤層埋深250 m，按均布荷載施加于模型上部邊界。巷道圍巖本構(gòu)關(guān)系采用莫爾一庫(kù)侖模型。數(shù)值模擬包括以下兩部分內(nèi)容:① 11號(hào)煤層開(kāi)采后，其遺留區(qū)段煤柱垂直壓力在下層13號(hào)煤中的分布特征;② 13313回風(fēng)巷迎采動(dòng)掘進(jìn)時(shí)，區(qū)段煤柱垂直應(yīng)力隨煤柱寬度變化特征。

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)
Table 1 Physical and mechanic parameter of coal-rock

巖層密度/(kg·m-3)體積模量/MPa剪切模量/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa內(nèi)摩擦角/(°)黏聚力/MPa煤層1 5002 2001 2001.5261.5泥巖2 6006 0003 0001.7306.0砂質(zhì)泥巖2 7007 2004 2001.9357.5

2.2.1回采巷道位置

由上面分析可知，13311進(jìn)風(fēng)巷遠(yuǎn)離上層11號(hào)煤層采空區(qū)所留煤柱，處于低應(yīng)力區(qū)域，故在此只分析確定13313回風(fēng)巷與11號(hào)煤層遺留的保護(hù)煤柱的合理錯(cuò)距。

圖5為模擬得到的上層煤柱(寬度為20 m)在13號(hào)煤層中垂直應(yīng)力的分布曲線。

圖5 煤柱作用下13號(hào)煤層垂直應(yīng)力分布曲線(單位:MPa)Fig.5 Vertical stress distribution curves of coal seam No.13 under the influence of pillar supporting pressure(Unit:MPa)

由圖5可知，11號(hào)煤層遺留煤柱將在13號(hào)煤層中出現(xiàn)垂直應(yīng)力集中現(xiàn)象，造成此區(qū)域內(nèi)圍巖垂直應(yīng)力高于原巖應(yīng)力，下層回采巷道應(yīng)與上方遺留煤柱保持一定水平距離，可使巷道避開(kāi)上方煤柱引起的高應(yīng)力影響。在11號(hào)煤層底板巖層中，其垂直應(yīng)力的傳播與文獻(xiàn)[13-14]分析計(jì)算結(jié)果相類似，都是按一定的傳播角向下傳播，據(jù)此次計(jì)算結(jié)果，其傳播角約為35°，但是當(dāng)垂直應(yīng)力傳播到13號(hào)煤層時(shí)，由于該煤層較厚，且與其上層的泥巖和砂巖相比，其力學(xué)參數(shù)要低許多，因此，垂直應(yīng)力傳播到該層煤時(shí)，并沒(méi)用隨著與11號(hào)煤柱中心距離的增加而向水平方向擴(kuò)散，而只是垂直向下方傳播。計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)與煤柱邊緣距離超過(guò)10 m后，13號(hào)煤層垂直應(yīng)力將恢復(fù)到原巖應(yīng)力水平，下層回采巷道將不再受到上方遺留煤柱的影響，與1.2節(jié)理論分析結(jié)果相比，該錯(cuò)距要小許多。因此，13313回風(fēng)巷應(yīng)布置在離上層煤柱邊緣10 m以外區(qū)域即可。

2.2.2區(qū)段煤柱寬度數(shù)值分析

區(qū)段煤柱垂直應(yīng)力變化情況模擬時(shí)，13311工作面沿Y軸方向布置，工作面推進(jìn)方向與X軸正方向相同。13311工作面兩條回采巷道優(yōu)先開(kāi)挖，一次開(kāi)挖成型，巷道斷面寬4 m，高3 m。13311工作面從距左邊界50 m位置開(kāi)始推進(jìn)，推進(jìn)長(zhǎng)度為300 m，到距右邊界50 m處停止。當(dāng)工作面推進(jìn)100 m時(shí)，13313回風(fēng)巷開(kāi)始掘進(jìn)，掘進(jìn)從距右側(cè)邊界50 m處開(kāi)始，到距左側(cè)邊界50 m處停止，計(jì)算模型如圖6所示。

圖6 數(shù)值計(jì)算模型Fig.6 Numerical simulation model

模擬結(jié)果表明，13313回風(fēng)巷和13311工作面平面相交后150～200 m煤柱垂直應(yīng)力達(dá)到最大值。因此分析計(jì)算了煤柱寬度分別為5,10,15,20,25和30 m時(shí)，13313回風(fēng)巷和13311工作面平面相交后170 m處，13313回風(fēng)巷兩側(cè)煤柱垂直應(yīng)力分布情況，如圖7所示。

圖7 不同煤柱寬度時(shí)13313回風(fēng)巷兩側(cè)垂直應(yīng)力分布Fig.7 Vertical stress distributions on both sides of 13313 return lane with different coal pillar width

由圖7可知:當(dāng)煤柱寬度為5 m時(shí)，垂直應(yīng)力很低，說(shuō)明整個(gè)煤柱全部發(fā)生塑性破壞，承載能力很差。隨著煤柱寬度加大，垂直應(yīng)力逐步增大，表明其承載能力逐漸增加，當(dāng)煤柱寬度達(dá)到20 m時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)彈性核區(qū)，且煤柱內(nèi)部彈性核區(qū)寬度隨著煤柱寬度增加而增大。當(dāng)區(qū)段煤柱寬度為30 m時(shí)，煤柱垂直應(yīng)力出現(xiàn)了雙峰分布形態(tài)。因此，區(qū)段煤柱合適的寬度應(yīng)大于20 m。

2.2.3巷道布置和頂板支護(hù)方式優(yōu)化

據(jù)前面的研究結(jié)論，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，13311進(jìn)風(fēng)巷和13313回風(fēng)巷都布置在上煤層采空區(qū)下。因該種工作面布置方式是第1次在該礦試驗(yàn)，出于安全考慮，仍把13313回風(fēng)巷距離上部煤層遺留煤柱邊緣水平距離定為30 m，區(qū)段煤柱寬度確定為25 m，如圖8所示。

圖8 13313回風(fēng)巷布置位置示意Fig.8 Layout diagram of 13313 return air roadway

巷道遠(yuǎn)離相鄰工作面?zhèn)认蛑С袎毫Ψ逯担幵谥С袎毫^低區(qū)域，有利于巷道圍巖維護(hù)。但是，采用該種巷道布置方式，下層13號(hào)煤層13313工作面回采時(shí)，因工作面上方11號(hào)煤層區(qū)段煤柱集中應(yīng)力的影響，對(duì)其頂板和煤壁管理提出了更高的要求，要引起高度重視。

13313回風(fēng)巷處于上煤層采空區(qū)下，且為全煤巷道，直接頂為煤層，厚度達(dá)9.4 m。在動(dòng)壓作用下，大厚度頂煤很容易發(fā)生離層破壞，造成安全隱患或支護(hù)失效，迎采動(dòng)面掘進(jìn)更增加了頂煤的控制難度。文獻(xiàn)研究表明[19-20]，與采用普通錨桿支護(hù)時(shí)相比，松軟煤層碎脹頂板巷道采用高預(yù)應(yīng)力、短錨索支護(hù)后，頂板下沉量、兩幫移近量和底臌量分別降低了95%,84%和72%，巷道支護(hù)狀況發(fā)生了質(zhì)的變化。

因此，確定采用長(zhǎng)短錨索結(jié)合的方式來(lái)支護(hù)13313回風(fēng)巷頂板，一種為短錨索，用來(lái)代替錨桿，主要作用是對(duì)煤層直接頂起組合加固作用，形成厚度遠(yuǎn)大于錨桿支護(hù)時(shí)的次生承載層。另一種為長(zhǎng)錨索，主要作用是將短錨索、金屬網(wǎng)和W鋼帶所形成的次生承載層與圍巖的主承載層相連，提高次生承載層的穩(wěn)定性[20]。

3 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)

3.1 巷道支護(hù)方案

參考13311回風(fēng)巷的支護(hù)方案及變形情況，再結(jié)合數(shù)值模擬、理論計(jì)算,提出了13313回風(fēng)巷錨桿支護(hù)方案，如圖9所示。

圖9 巷道支護(hù)參數(shù)示意Fig.9 Schematic diagram of roadway support

頂板支護(hù)。13313回風(fēng)巷與相鄰13311工作面相交前后采用相同的支護(hù)參數(shù)。每排5 200 mm的短錨索5根，間距1 000 mm，排距1 000 mm;短錨索材料為φ21.8 mm,1×19股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線。8 200 mm的長(zhǎng)錨索布置在5 200 mm的錨索兩排中間，每排2根，間距2 000 mm，排距1 000 mm。全部垂直頂板布置。要求錨索初始張拉不低于300 kN。

巷幫支護(hù)。巷道與相鄰工作面前后采用相同的錨桿支護(hù)方案，每排左右兩幫各4根錨桿，錨桿間排距為900 mm×1 000 mm，全部垂直煤幫布置。采用φ20 mm的HRB500高強(qiáng)度左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋，錨桿預(yù)緊扭矩為400 N·m。

巷道與13311工作面相交前，煤柱幫每排打設(shè)2根錨索，錨索間排距為1 800 mm×1 000 mm。巷道與13311工作面相遇后，間排距調(diào)整為1 800 mm×2 000 mm。所用錨索都為φ17.8 mm,1×17股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，承載能力≥353 kN，錨索初始張拉不低于200 kN。

3.2 煤柱受力監(jiān)測(cè)分析

根據(jù)實(shí)際需要以及工作面的開(kāi)采情況，為了觀測(cè)回采工作面區(qū)段煤柱的超前支承壓力和工作面回采過(guò)后煤柱滯后支承壓力情況。鉆孔應(yīng)力計(jì)安設(shè)在13313工作面回風(fēng)巷距工作面300 m處的煤柱側(cè)，本次試驗(yàn)安裝鉆孔應(yīng)力計(jì)的深度分別為孔深分別為2,4,6,8,10和12 m，主要區(qū)別是深入煤柱的范圍不同，其目的是測(cè)量不同深度范圍煤柱超前和滯后工作面支承壓力的變化情況。鉆孔高度距底板1.5 m，鉆孔直徑48 mm。施工鉆孔時(shí)，保持垂直煤幫，而且盡量使孔壁光滑，鉆孔完成后，吹出孔內(nèi)煤粉，然后進(jìn)行安裝。煤柱鉆孔應(yīng)力計(jì)實(shí)際布置情況如圖10所示。

圖10 煤柱鉆孔應(yīng)力計(jì)布置示意Fig.10 Schematic layout of borehole stress gauge for coal pillar

隨著工作面的推進(jìn)，通過(guò)對(duì)6臺(tái)鉆孔應(yīng)力計(jì)收集所得的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析，可以得到區(qū)段煤柱在超前和滯后支承壓力作用下煤柱垂直應(yīng)力隨鄰近工作面回采的變化情況。觀測(cè)結(jié)果表明，與鄰近工作面相交會(huì)前，各測(cè)點(diǎn)鉆孔應(yīng)力相對(duì)穩(wěn)定，只是在交會(huì)處略有增加。與鄰近工作面交匯后，各測(cè)點(diǎn)處鉆孔應(yīng)力逐漸增大，并與交會(huì)后190 m左右達(dá)到最大值，并逐漸趨于穩(wěn)定。圖11為13313回風(fēng)巷與13311工作面交會(huì)后190 m時(shí)，煤柱垂直應(yīng)力分布觀測(cè)結(jié)果。

圖11 煤柱垂直應(yīng)力分布Fig.11 Distribution of vertical stress of column

由圖11可知，2 m深鉆孔應(yīng)力計(jì)的觀測(cè)值要略小于原巖應(yīng)力，表明該處巷道圍巖有一定程度的破碎。4 m深鉆孔應(yīng)力計(jì)觀測(cè)值在6個(gè)鉆孔應(yīng)力計(jì)中最大，表明煤柱高應(yīng)力區(qū)域位于13313回風(fēng)巷側(cè)，應(yīng)力集中系數(shù)為2.72左右。其余4個(gè)鉆孔應(yīng)力計(jì)觀測(cè)值都略大于原巖應(yīng)力，表明該部分區(qū)段煤柱因處于11號(hào)煤層采空區(qū)下，應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯。所觀測(cè)到的煤柱垂直應(yīng)力分布形態(tài)與圖7數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果基本相符，顯示煤柱整體完整，具有良好的承載性能，也證明了所選煤柱寬度是合理的。

3.3 巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)分析

為了驗(yàn)證和檢驗(yàn)理論及數(shù)值分析的結(jié)果，掌握巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，在13313回風(fēng)巷進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)和礦壓觀測(cè)。采用錨索壓力計(jì)和十字觀測(cè)法對(duì)錨索受力和圍巖表面位移進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)曲線分別如圖12所示。

圖12 頂板錨索受力和巷道表面位移監(jiān)測(cè)曲線Fig.12 Monitoring curves of cable on the roof and roadway surface displacement

由圖12(a)可知，巷道與工作面交匯100 m左右范圍內(nèi)為劇烈影響階段，當(dāng)巷道位于工作面后方150 m以外時(shí)，頂板錨索受力也隨之趨于穩(wěn)定，錨索受力達(dá)到了250～300 kN，約為其破斷力的50%;錨索受力增長(zhǎng)平穩(wěn)，說(shuō)明錨索較好地控制了巷道離層和圍巖變形。

由圖12(b)可知:當(dāng)掘進(jìn)巷道與回采工作面相會(huì)后，巷道變形速度明顯增加，特別是工作面后方100 m左右范圍為劇烈影響階段;當(dāng)巷道位于工作面后方150 m以外時(shí)，圍巖應(yīng)力重新分布逐漸趨于穩(wěn)定，巷道表面變形也隨之趨于穩(wěn)定，其中頂?shù)装逡平窟_(dá)400 mm左右，兩幫移近量為300 mm左右。在13311工作面整個(gè)采動(dòng)影響期間，圍巖變形量得到了有效控制，保證了巷道的整體穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

(1)孫家溝煤礦屬典型近距離煤層群開(kāi)采，13311回風(fēng)巷變形失穩(wěn)主要受巷道布置方式、對(duì)采對(duì)掘動(dòng)壓和巷道支護(hù)方案等因素影響。

(2)對(duì)13313回風(fēng)巷穩(wěn)定性進(jìn)行了理論研究和數(shù)值模擬分析，認(rèn)為該巷應(yīng)布置在距離上部煤層遺留煤柱邊緣水平距離10 m以外的位置;因迎相鄰回采工作面掘進(jìn)，區(qū)段煤柱寬度應(yīng)不小于20 m。出于安全考慮，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，13313回風(fēng)巷距離上層11號(hào)煤層煤柱距離仍確定為30 m。13313回風(fēng)巷經(jīng)受鄰近采動(dòng)影響后，圍巖穩(wěn)定，維護(hù)狀況良好，建議下次工作面布置時(shí)，可考慮適當(dāng)減少外錯(cuò)距離。

(3)根據(jù)孫家溝煤礦巷道圍巖物理力學(xué)性質(zhì)及受力特征，通過(guò)采用高預(yù)應(yīng)力全錨索加強(qiáng)支護(hù)，增強(qiáng)了錨固段的整體性及承載能力，減少了采動(dòng)掘進(jìn)巷道的變形破壞范圍。

(4)13313回風(fēng)巷現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果表明，煤層群開(kāi)采條件下，選擇合理的下煤層回采巷道布置方式及區(qū)段煤柱留設(shè)寬度，配合適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)方案，能夠有效地控制巷道圍巖變形破壞，保障了巷道滿足礦井安全生產(chǎn)的需要。研究成果可為類似條件下回采巷道布置和支護(hù)參數(shù)的選擇提供參考。