高玉軍，康慶濤，殷帥峰

(1. 華晉焦煤有限責任公司沙曲二號煤礦 生產技術部，山西 呂梁 033300；2.華北科技學院 安全工程學院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

煤層開采過程中，采空區(qū)遺留煤柱較多，其中條帶煤柱是一類特殊煤柱[1]，在延伸方向長度較大，下位煤層巷道布置難以避開煤柱下高應力區(qū)，對下位煤層巷道圍巖控制造成困難，尤其對于下位近距離煤層巷道，煤柱下集中應力衰減較小，高應力作用下巷道圍巖應力成倍增加，巷道圍巖出現(xiàn)高地壓、大變形等強礦壓現(xiàn)象，巷道圍巖控制異常困難[2-9]。高應力巷道圍巖控制研究成果較多[10-17]，多根據(jù)實際情況采用聯(lián)合控制技術，在巷道圍巖變形較大條件下需要刷幫維護。條帶煤柱下近距離煤層巷道圍巖控制方面研究成果較少[18-19]，尤其下煤近距離巷道與上煤條帶煤柱延伸方向垂直或斜交時，在巷道掘進方向上煤柱影響段長度較小，較復雜的控制工藝造成巷道掘進速度慢，不利于巷道圍巖控制，因此條帶煤柱下近距離巷道需要根據(jù)正常掘進段圍巖控制方案進一步優(yōu)化，在保證巷道支護質量前提下快速通過煤柱影響段。

1 工程背景

沙曲二礦4煤工作面分前后兩部分回采，工作面長度由寬變窄，中間用30 m條帶煤柱隔開，前部分工作面長度216 m，后部分工作面長度265.5 m。4煤下存在近距離煤層(5煤層)，煤層間距5～7.5 m，5煤回采巷道頂板存在2.3 m泥巖直接頂和2.0 m砂巖老頂，巷道底板為較厚粉砂巖，巷道掘進斷面寬高尺寸4.6 m×2.8 m，巷道臥底掘進，根據(jù)4煤工作面回采巷道位置變化，5煤回采巷道也分前后兩部分并內錯4煤回采巷道一定距離布置，布置位置如圖1紅色虛線巷道所示，5煤回采巷道按前部分延伸方向穿過4煤條帶煤柱后再調整軌道巷位置。

圖1 巷道與條帶煤柱關系

2 煤柱下近距離煤層巷道圍巖應力環(huán)境與變形特征

根據(jù)5煤膠帶巷在4煤條帶煤柱位置巷道圍巖條件，建立udec數(shù)值模型，模擬研究5煤膠帶巷在條帶煤柱及側向采空區(qū)影響下，巷道掘進圍巖應力環(huán)境及巷道圍巖變形破壞特征，為巷道圍巖合理控制方案提供方向。

條帶煤柱下兩側底板巖層應力分布具有對稱性，分析模型右側條帶煤柱影響下巷道施工應力條件(圖2)。圖2(a)為水平應力分布圖，巷道位于水平應力紅色區(qū)域，應力值10～15 MPa，與原巖應力相差不大，巷道頂板采空區(qū)方向水平應力逐漸減小。圖2(b)為垂直應力分布圖，巷道位置垂直應力受煤柱影響較大，巷道位于橙色區(qū)域，應力15～20 MPa，應力值比原巖應力大。圖2(c)為煤柱頂?shù)装逅苄云茐膮^(qū)位分布，“*”代表屈服破壞位置，“0”代表拉伸破壞位置，巷道底板煤柱邊界底板一定范圍內煤巖層存在塑性破壞區(qū)，但巷道掘進位置在塑性破壞范圍之外，對巷道圍巖穩(wěn)定影響較小。

圖2 條帶煤柱下巷道原位圍巖應力狀態(tài)

在巷道頂板上方0.1 m、2.1 m、7.3 m設水平測線測得不同位置垂直應力分布曲線(圖3)，其中巷道頂板7.3 m測線距煤柱僅0.1 m，巷道頂板上方不同測線位置垂直應力相差不大，巷道頂板壓力主要受煤柱集中應力影響，為原巖應力1.2～1.6倍。在水平方向上巷道位置雖沒有位于側向支承壓力峰值區(qū)，但仍在峰后高應力區(qū)，在該位置掘進巷道，巷道圍巖易在高應力下產生破壞，巷道初期變形量大，巷道圍巖控制困難。

圖3 巷道頂板應力分布曲線

巷道掘出后，巷道圍巖應力重新分布(如圖4(a)所示)，巷道近表圍巖應力降低，巷道頂?shù)装逍秹狠^大，尤其頂板應力降低區(qū)發(fā)育至煤柱上方，巷道兩幫出現(xiàn)應力峰值，應力峰值范圍左幫大于右?guī)汀Ｏ锏绹鷰r破壞范圍較大(如圖4(b)所示)，巷道頂板出現(xiàn)較大范圍拉伸破壞，巷道底板也產生一定程度拉伸破壞，巷道左幫塑性區(qū)發(fā)育寬度5.4 m，右?guī)退苄詤^(qū)發(fā)育至采空區(qū)下方；上位煤柱受巷道影響產生左右兩部分塑性區(qū)，左側塑性區(qū)5 m，右側塑性區(qū)7 m。根據(jù)巷道圍巖移動矢量圖(如圖4(c)所示)可知，巷道頂板和兩幫都具有較大巷道方向位移量，巷道底鼓量較小，巷道左右?guī)鸵平?.1 m，頂?shù)装逡平?.57 m。

圖4 條帶煤柱下巷道圍巖狀態(tài)

綜上所述，條帶煤柱對巷道圍巖垂直應力影響較大，巷道掘出后圍巖出現(xiàn)大變形并使圍巖應力重新分布，巷道頂板和兩幫是圍巖控制重點。

3 煤柱下近距離煤層巷道圍巖控制技術

根據(jù)條帶煤柱下5煤巷道頂板及兩幫應力高、變形大的特點，提出采用高預緊力錨網梁強化控制技術，提高錨桿索支護預緊力并根據(jù)不同支護結構特點剛柔匹配，提高巷道圍巖控制效果。巷道頂板采用“錨網+W鋼帶+工字鋼”聯(lián)合支護方式，對破碎圍巖具有擠壓加固作用，并有效控制頂板離層及松動圈的進一步擴展。巷道支護設計參數(shù)如圖5所示，巷道頂板采用錨索長度5.25 m(或4.25 m)，直徑21.8 mm，間排距1.3 m×1.8 m，托盤規(guī)格0.3 m×0.3 m×0.016 m，預緊力大于230 kN；巷道頂板錨索在中間用連接器連接形成錨索桁架結構，桁架跨度2 m，錨索長度6.35 m(或5.35 m)，間排距2.0 m×1.8 m；巷道頂板采用螺紋鋼錨桿長度2.4 m，直徑22 mm，間排距0.8 m×0.9 m，托盤規(guī)格4.4 m×0.25 m×0.005 m，錨桿預緊扭矩不低于200 N·m，錨桿布置在全斷面長W鋼帶眼內加強巷道破碎巖塊約束作用，角錨桿按80°打設并配碟形托盤和調心球墊；全斷面長度工字鋼間距1.8 m，采用木板剎緊背牢；巷道頂板采用5 m×1.1 m菱形鐵絲網進行全斷面護表支護。巷道兩幫采用“錨網+鋼帶+工字鋼”聯(lián)合支護，采用Φ18螺紋鋼錨桿，長度2.2 m，配長1.9 m的圓鋼鋼帶和0.13×0.13×0.01 m托盤，錨桿預緊扭矩不低于200 N·m；兩幫工字鋼與頂板工字鋼搭接形成架棚支護。

圖5 巷道支護設計斷面圖

4 工程應用效果分析

根據(jù)設計圍巖控制方案進行工程實踐，對4煤條帶煤柱下5煤巷道進行支護施工及巷道圍巖變形觀測，巷道掘進成巷后采取高預緊力錨網梁及時支護，巷道圍巖在高應力作用下初期變形量大，局部揭露頂板后直接頂板破碎且控頂困難，采用工字鋼和預緊力錨索桁架結構控制巷道進一步擴展變形。巷道圍巖控制效果如圖6所示，未采取強化措施條件下巷道頂?shù)装逡平磕軌蜻_到500 mm，采取強化措施后巷道頂?shù)装逡平?00～250 mm，兩幫移近量80～130 mm，巷道圍巖控制能夠滿足生產需要。

圖6 巷道圍巖控制效果

5 結論

(1) 條帶煤柱下近距離煤層巷道受煤柱集中應力影響嚴重，巷道圍巖應力高，巷道掘進后圍巖變形量大。

(2) 根據(jù)數(shù)值模擬巷道圍巖應力環(huán)境及變形特征，得出巷道頂板和兩幫是試驗巷道圍巖控制的主要控制對象，提出高預緊力錨網梁強化控制技術并應用于現(xiàn)場工程中，采取強化控制措施后，巷道圍巖變形量明顯減小，取得了良好的巷道圍巖控制效果。