采空區(qū)煤柱下沿空留巷圍巖破壞特征和控制技術研究

徐 軍 郝勝鵬 楊建雄 白 宇

國內(nèi)學者已對沿空留巷進行了很多研究和現(xiàn)場試驗，并取得多項成果，使得沿空留巷技術不斷完善，并在現(xiàn)場順利推廣。但針對特殊地質(zhì)條件下的沿空留巷圍巖移動規(guī)律和支護設計的研究依然較少，采空區(qū)煤柱下沿空留巷巷道圍巖運動、破壞復雜，頂板巖層經(jīng)歷多次加卸載過程，巖石力學性能弱化，巖層承載能力降低，為巷道的支護帶來困難。本文依據(jù)中興煤礦1204下工作面沿空留巷工程實踐，采用理論分析、數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對比采空區(qū)煤柱下沿空留巷與上煤層未采動時沿空留巷的不同之處，揭示采空區(qū)煤柱下沿空留巷圍巖運動、破壞規(guī)律，為沿空留巷的巷內(nèi)支護和巷旁支護提供理論依據(jù)。

1 工程概況

1204下工作面井下標高為＋740～＋800m，地面標高為＋1201～＋1354m，1204下工作面位于一采區(qū)左翼，北面為1206工作面 (未采)，南面為1202下工作面 (已采)。1204下工作面可采長度為900m，工作面長度為200m。

1204下工作面開采煤層，與2＃煤層間距為3m左右，煤厚1.75～2.25m，平均2m，屬中厚煤層，是井田較薄地段，含夾矸1～2層，工作面大部分穩(wěn)定可采。本工作面煤層傾角為2°～20°，平均11°。工作面煤層頂?shù)装迩闆r如表1所示。

表1 工作面煤層頂?shù)装迩闆r

2 采空區(qū)煤柱下沿空留巷圍巖破壞特征數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型的建立

采用離散單元法數(shù)值模擬工具UDEC模擬了采空區(qū)、煤柱對沿空留巷的影響，建立的模型尺寸長500m、高95.7m。模型兩側(cè)水平位移約束，底邊垂直位移約束。上邊界自由，施加上覆巖層厚度450m的等效均布載荷，覆巖平均密度取2.500g／cm3。塊體選擇摩爾-庫侖塑性本構模型，節(jié)理采用庫侖滑移邊-邊接觸方式。其中局部放大圖如圖1所示。上煤層煤柱與1204下材料巷水平距離8m，豎向距離約3m。為了得到巷道實煤體側(cè)、巷旁充填體、煤柱下采空區(qū)垂直應力，以及和上煤層未采動時對比，在模型中設置如圖所示的測線；為了掌握頂板經(jīng)歷的反復加卸載過程，分別在實煤體、巷道、充填體上方的頂板巖層中設置監(jiān)測點，觀察其垂直應力變化過程。

圖1 模型局部放大圖

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

下工作面回采后，測線所測得的垂直應力如圖2所示。

圖2 測線垂直應力圖

由圖2可知，當在采空區(qū)煤柱下留巷時，巷旁充填體上的載荷相比上煤層未采動時有所降低，但實煤體側(cè)內(nèi)部的應力峰值增大，而且受上方采空區(qū)的影響，實煤體側(cè)的垂直應力波動較大，與上方采空區(qū)未完全壓實、更位巖層運動規(guī)律有關。受上方煤柱的影響，在下煤層采空區(qū)內(nèi)產(chǎn)生明顯的應力集中現(xiàn)象，其強度達到40MPa。因此，當在采空區(qū)煤柱下沿空留巷時，上覆巖層自重、運動產(chǎn)生的應力向巷道實煤體側(cè)和煤柱下轉(zhuǎn)移，使得巷旁充填體承受的載荷降低。

圖3 巖層加卸載過程

從上工作面的開挖到下煤層的二次回采，沿空留巷頂板經(jīng)歷了反復加卸載過程。圖3顯示了從上工作面回采到下工作面一次回采的過程 (未考慮二次回采)。由圖3可知，采空區(qū)煤柱下沿空留巷巖層加卸載過程要比普通沿空留巷復雜得多。實煤體側(cè)上方頂板和巷旁充填體上的頂板受反復加卸載尤為明顯，當?shù)叵聨r層未受采動影響時，其加載強度可達到13.8MPa，上工作面回采后，作為上工作面底板的巖層 (下工作面頂板)處于卸載狀態(tài)，在垂直方向受到的載荷為0，隨著上方巖層的垮落和壓實，底板巖層逐漸處于加載狀態(tài)，但其加載強度小、速度緩慢；巷道開挖后，圍巖受到擾動，實煤體側(cè)和巷旁充填體上的頂板加載強度和速度增大，當下工作面回采后，其加載繼續(xù)增大，當巷道采空區(qū)側(cè)的頂板斷裂垮落，巷旁充填體應力集中現(xiàn)象得到緩解，充填體上的頂板載荷強度減小，但由于應力會向?qū)嵜后w側(cè)轉(zhuǎn)移，所以實煤體側(cè)的頂板應力加載強度繼續(xù)增大到20MPa，直到上覆巖層穩(wěn)定。而巷道內(nèi)上方頂板由于巷道開挖后，其從三向應力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為二向應力狀態(tài)，其加卸載強度小。

沿空留巷圍巖塑性區(qū)發(fā)育狀態(tài)見圖4，采空區(qū)煤柱下沿空留巷在實煤體側(cè)、巷內(nèi)靠近巷旁充填體側(cè)的頂?shù)装逅苄詤^(qū)明顯，而巷旁充填體發(fā)生塑性破壞的面積相對減少。

圖4 沿空留巷圍巖塑性區(qū)

綜上可知，采空區(qū)煤柱下沿空留巷圍巖破壞具有以下特征:頂板經(jīng)歷反復加卸載，且強度大，使頂板破碎，承載能力降低；采空區(qū)側(cè)的頂板及時垮落，使應力向煤柱和實煤體側(cè)轉(zhuǎn)移，而作用于充填體上的應力降低，對充填體有利。

3 工程實踐

3.1 沿空留巷支護方案

巷旁充填體采用具有早期強度大、增阻速度快、適量可縮的高水材料，并根據(jù)數(shù)值模擬和理論計算確定其寬度為2.5m。

由于巷道要經(jīng)受兩次采動的影響，留巷圍巖受采動應力的影響圍巖較破碎，礦壓顯現(xiàn)十分劇烈，巷道圍巖頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平慷己艽?。另外，沿空留巷在關鍵塊回轉(zhuǎn)、下沉過程中容易使錨固體與上部直接頂、直接頂與基本頂之間產(chǎn)生較大離層，達到一定程度就會導致頂板垮冒，為防止冒頂事故，采用預應力錨索加強支護，保持直接頂與基本頂?shù)耐竭\動。因此在沿空留巷巷內(nèi)支護時采用錨索支護對頂板進行加固，由于錨索支護錨固深度比錨桿支護更大，可以將錨桿控制范圍之外的下部不穩(wěn)定的巖層錨固到上部穩(wěn)定的巖層之中，可靠性大。在此過程中，要注意錨桿錨索預緊力的協(xié)調(diào)，使錨桿在淺部圍巖中形成的預應力場與錨索在較深部圍巖中形成的預應力場相互重疊，形成完整的預應力承載結(jié)構，阻止錨固區(qū)外巖層產(chǎn)生離層，改善圍巖深部的應力分布狀態(tài)。錨索和錨桿支護一樣為主動支護方式，可以作為沿空留巷巷內(nèi)錨桿支護的輔助支護方式。

1204下材料巷地質(zhì)條件的特殊性，特別是巷道位于采空區(qū)下方，頂板僅有3m，屬于極近距離煤層下行開采，導致在上煤層回采時將3m的巖層破壞，成為塊體，極容易在下煤層回采時，在超前支撐壓力的作用下發(fā)生冒頂事故，需要用背板將頂板固定，并采用錨桿和短預應力錨索支護，使頂板在預應力作用下形成固定板結(jié)構，整體承受上方采空區(qū)矸石的重量，確保巷道穩(wěn)定性和滿足使用斷面要求。

沿空留巷工作面后方約150m范圍內(nèi)上覆巖層運動劇烈、頂板結(jié)構變化，為了保護已構筑好的巷旁充填體，在工作面后方150m范圍內(nèi)使用單體液壓支柱在巷道內(nèi)進行加強支護，以保證開始階段巷旁充填體結(jié)構的完整性，并減小采空區(qū)及頂板來壓對巷道圍巖的影響，控制巷道圍巖變形。加強支護參數(shù)為單體液壓支柱配鉸接頂梁，打4排單體液壓支柱支護，排距100mm、柱距800mm。

3.2 現(xiàn)場監(jiān)測

1204下工作面材料巷沿空留巷效果良好，采空區(qū)側(cè)頂板及時垮落，巷旁充填體保持完整，未出現(xiàn)破壞失穩(wěn)、冒頂事故。巷道頂?shù)装逡平?、兩幫移近量穩(wěn)定在450mm、110mm左右，距工作面約120m左右變形量、變形速度都趨于穩(wěn)定，二次回采時經(jīng)過臥底可以滿足生產(chǎn)需要。

4 結(jié)論

采空區(qū)煤柱下沿空留巷圍巖應力分布、運動破壞規(guī)律與普通沿空留巷有區(qū)別，頂板巖層經(jīng)歷反復加卸載過程，巖石力學性能弱化，頂板破碎，易冒頂，但采空區(qū)側(cè)的頂板及時垮落，巷旁充填體上的應力集中現(xiàn)象得到緩解。現(xiàn)場采用錨桿＋短錨索＋U型鋼梯形棚聯(lián)合支護取得了良好效果。

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