近距離煤層迎采動(dòng)工作面沿空掘巷支護(hù)技術(shù)

付書(shū)俊，吳 樂(lè)，何 杰

(1.陽(yáng)泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000；2.天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

陽(yáng)煤集團(tuán)孫家溝煤礦由于工作面布置不合理等原因，造成該礦井出現(xiàn)大量近距離煤層群聯(lián)合開(kāi)采情況，下層煤回采巷道易受上層煤采掘及遺留煤柱強(qiáng)烈動(dòng)壓影響[1-3]，同時(shí)由于采掘銜接緊張，部分工作面出現(xiàn)巷道掘進(jìn)期間相鄰工作面正在回采的現(xiàn)象，即迎采動(dòng)工作面沿空掘巷[4，5]。因此在上層煤采動(dòng)及相鄰工作面采動(dòng)雙重影響下，巷道頂板及兩幫極易出現(xiàn)局部或大面積變形破壞，礦方投入了大量的人力和物力進(jìn)行巷道返修，影響了巷道的正常使用，巷道支護(hù)和維護(hù)成本居高不下[6]。因此需根據(jù)礦井具體生產(chǎn)地質(zhì)條件，制定相應(yīng)的支護(hù)方案，研究其礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，從而為該礦后續(xù)巷道布置及采掘銜接提供依據(jù)。

1 工程概況

孫家溝煤礦位于山西省忻州市保德縣境內(nèi)，開(kāi)采標(biāo)高為1100～580m，主采11#與13#煤，生產(chǎn)規(guī)模為120萬(wàn)t/a，其中13#煤煤厚最大15.45m，最小7.35m，平均13.05m。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含夾矸1～4層，夾矸厚度多數(shù)在0.30～0.50m之間，巖性為泥巖或炭質(zhì)泥巖，頂板底板均為泥巖或砂質(zhì)泥巖。本文研究對(duì)象為13313工作面，其北部為原同保煤礦準(zhǔn)備巷，南部為13#煤北回風(fēng)巷，距工作面終采線(xiàn)200m，西部為待布置的下區(qū)段工作面，東部為正在回采中的上區(qū)段13311工作面(煤柱寬為25m)，工作面布置如圖1所示，因此，13313工作面回風(fēng)巷為迎采動(dòng)工作面沿空掘巷巷道。同時(shí)，13313工作面上方是2016年底回采結(jié)束的11107工作面采空區(qū)，二者空間位置近乎重疊，垂直距離約17m，13313工作面回風(fēng)巷與上層煤遺留煤柱水平距離約為35m，因此，13313工作面回風(fēng)巷同時(shí)受到上層煤遺留煤柱作用，近距離煤層空間位置關(guān)系如圖2所示。地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測(cè)試顯示，13#煤層最大水平主應(yīng)力為16.65MPa，最小水平主應(yīng)力為9.15MPa，垂直應(yīng)力為5.58MPa，為最大水平主應(yīng)力主導(dǎo)型應(yīng)力場(chǎng)。

圖2 近距離煤層空間位置關(guān)系示意圖

13313工作面進(jìn)風(fēng)巷及回風(fēng)巷均沿底板掘進(jìn)，13313工作面回風(fēng)巷頂板鉆孔窺視圖如圖3所示，根據(jù)圖3可以看出，頂板巖性較為完整，淺部存在少量裂隙，16.5m處出現(xiàn)塌孔，圍巖極破碎，即進(jìn)入采空區(qū)。進(jìn)風(fēng)巷左幫上方即為11107工作面遺留30m煤柱，回風(fēng)巷與上部煤層遺留煤柱水平距離約為35m。

圖3 13313工作面回風(fēng)巷頂板鉆孔窺視圖(m)

2 13313工作面回風(fēng)巷穩(wěn)定性分析

2.1 上層煤遺留煤柱影響

結(jié)合工作面實(shí)際地質(zhì)生產(chǎn)條件及地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果，采用FLAC3D建立數(shù)值計(jì)算模型，尺寸為180m×2m×50m，劃分為74880個(gè)單元和95665個(gè)節(jié)點(diǎn)，在建模過(guò)程中嚴(yán)格按照13313工作面及巷道空間位置，數(shù)值計(jì)算模型如圖4所示。三維模型的邊界條件取為：上部為應(yīng)力邊界條件，四周水平位移固定，模型底部垂直位移固定，且按照實(shí)際地應(yīng)力條件施加模型初始應(yīng)力，模型參數(shù)見(jiàn)表1。數(shù)值計(jì)算模擬工作面回采順序同實(shí)際生產(chǎn)一致。

圖4 數(shù)值計(jì)算模型示意圖

巖性密度/(kg·m-3)體積模量/GPa剪切模量/GPa內(nèi)聚力/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa內(nèi)摩擦角/(°)泥巖21003.11.82.50.3728石灰?guī)r27004.534.083.20.7030砂質(zhì)泥巖23204.03.62.80.52811#煤14001.040.821.80.252413#煤14001.040.821.80.2524

模擬分析11#煤層工作面回采后遺留煤柱下方垂直應(yīng)力分布曲線(xiàn)如圖5所示。遺留煤柱下方存在應(yīng)力增高區(qū)，其影響范圍水平分布約為30m，小于13313工作面回風(fēng)巷與上層煤煤柱水平錯(cuò)距，因此13313工作面回風(fēng)巷所處區(qū)域垂直應(yīng)力值基本為原巖應(yīng)力區(qū)，受遺留煤柱作用較小。同時(shí)說(shuō)明上層煤遺留煤柱作用水平范圍即為30m，因此下一工作面布置應(yīng)盡量將回采巷道布置于該范圍外。

圖5 11#煤遺留煤柱下方垂直應(yīng)力分布曲線(xiàn)

2.2 階段Ⅰ：上區(qū)段工作面超前采動(dòng)影響階段

階段Ⅰ(如圖1所示)，該階段巷道兩側(cè)均為實(shí)體煤，圍巖易形成較為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，根據(jù)上文可知，上層煤遺留煤柱影響作用有限，同時(shí)結(jié)合孫家溝礦之前工作面回采經(jīng)驗(yàn)可知，上區(qū)段13311工作面超前支承壓力作用對(duì)巷道影響較小，巷道變形較小。

2.3 階段Ⅱ：上區(qū)段工作面滯后采動(dòng)影響階段

階段Ⅱ(如圖1所示)，該階段自回風(fēng)巷與上區(qū)段工作面水平相會(huì)后，隨著兩者相向而行，相距較遠(yuǎn)，一段時(shí)期內(nèi)，由于上區(qū)段工作面直接頂隨回采出現(xiàn)規(guī)則及不規(guī)則垮落，頂板結(jié)構(gòu)劇烈調(diào)整，關(guān)鍵層與直接頂出現(xiàn)離層，關(guān)鍵層巖塊出現(xiàn)彎曲下沉現(xiàn)象，對(duì)煤柱上方及巷道上方造成強(qiáng)烈的變形壓力，巷道頂板隨之下沉，頂板與煤柱幫交界處煤體易破碎掉落，由于煤柱較寬，中心部位保持完整性，因此上覆頂板壓力經(jīng)過(guò)煤柱延深至底板，在巷道開(kāi)掘后應(yīng)力釋放，極易造成巷道底板鼓起，巷道整體表現(xiàn)為非對(duì)稱(chēng)大變形，該階段巷道穩(wěn)定性最差，需要加強(qiáng)支護(hù)。

2.4 階段Ⅲ：沿空掘巷階段

階段Ⅲ(如圖1所示)，該階段是指在上區(qū)段工作面回采引起的頂板垮落較為完全后，對(duì)上覆巖層有支撐作用，關(guān)鍵層巖塊不再?gòu)澢鲁?，?cè)向支承壓力明顯較上一階段減小，巷道掘進(jìn)受頂板活動(dòng)作用較小，同時(shí)由于煤柱尺寸較大，巷道處于上區(qū)段采空區(qū)側(cè)向支承壓力穩(wěn)定區(qū)甚至減小區(qū)[7]，因此，該階段巷道穩(wěn)定性較好，巷道易于控制。

3 支護(hù)方案

根據(jù)13313回風(fēng)巷不同階段應(yīng)力環(huán)境的特殊性，制定相應(yīng)的支護(hù)方案[8]。由于受到上層煤遺留煤柱作用，同時(shí)頂板為13m厚煤層，因此頂板穩(wěn)定性尤為重要。研究表明[9，10]，對(duì)于煤層碎脹頂板，采用高預(yù)應(yīng)力短錨索支護(hù)方式，頂板錨索支護(hù)形成的承載結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)大于錨桿支護(hù)，同錨桿支護(hù)相比，能大幅減小巷道變形量，巷道無(wú)需返修即可滿(mǎn)足生產(chǎn)使用?；诖?，確定采用頂板高預(yù)應(yīng)力短錨索支護(hù)方案[11]，改變孫家溝煤礦原12m長(zhǎng)錨索懸吊于穩(wěn)定巖層的支護(hù)理念。

3.1 階段Ⅰ、階段Ⅱ支護(hù)方案

隨著上區(qū)段工作面回采與回風(fēng)巷掘進(jìn)，階段Ⅰ逐漸演變?yōu)殡A段Ⅱ，因此階段Ⅰ與階段Ⅱ支護(hù)方案相同。頂板采用1×19股高強(qiáng)5.2m短錨索與8.2m長(zhǎng)錨索結(jié)合支護(hù)，其中短錨索配W錨索托板與W鋼帶組合構(gòu)件，長(zhǎng)錨索配鋼筋鋼帶構(gòu)件，錨固劑規(guī)格為MSCK2335與MSK23120各1支組合，要求張拉力不低于300kN，損失后不低于180kN[12]；巷幫采用HRB500高強(qiáng)度錨桿，錨固劑采用1支MSCKa2360，要求預(yù)緊力不低于400N·m。階段Ⅰ、階段Ⅱ支護(hù)斷面圖如圖6所示。

圖6 階段Ⅰ、階段Ⅱ支護(hù)平面圖(mm)

3.2 階段Ⅲ支護(hù)方案

階段Ⅲ較階段Ⅱ而言巷道易于控制，且煤柱更為穩(wěn)定，因此支護(hù)方案基本同階段Ⅱ，不同之處在于煤柱幫錨索排距由1m增大至2m。

4 支護(hù)效果及礦壓監(jiān)測(cè)

回風(fēng)巷掘進(jìn)期間安裝一組礦壓監(jiān)測(cè)測(cè)站，監(jiān)測(cè)上述各階段錨桿錨索受力及煤柱應(yīng)力變化。監(jiān)測(cè)所得受力變化曲線(xiàn)如圖7、圖8所示。圖中，橫坐標(biāo)數(shù)值為負(fù)時(shí)，表示測(cè)站位于上區(qū)段回采工作面前方，反之位于后方，頂板錨索自工作面?zhèn)扔?jì)數(shù)1～5，錨桿從上至下依次計(jì)數(shù)。由圖7及圖8分析可知：

圖7 不同巷道部位錨桿及錨索受力變化曲線(xiàn)

圖8 距巷道圍巖不同位置處錨桿及錨索受力變化曲線(xiàn)

1)階段Ⅰ：頂板錨索及煤柱幫錨索受力變化較小，局部存在受力波動(dòng)，實(shí)體煤幫錨桿與煤柱幫錨桿呈現(xiàn)平穩(wěn)增大趨勢(shì)，其中，測(cè)站超前于工作面70m范圍內(nèi)煤柱幫錨桿受力增速加大；煤柱應(yīng)力在該階段整體較為平穩(wěn)，超前60m范圍內(nèi)4m、10m、12m位置煤柱應(yīng)力有較明顯波動(dòng)。因此可推知工作面超前影響范圍為60m，且上區(qū)段遺留煤柱造成的應(yīng)力擾動(dòng)較小。

2)階段Ⅱ：在測(cè)站處于上區(qū)段回采工作面后方時(shí)，對(duì)于頂板錨索，2#錨索受力有所減小，其余均不斷增大，煤柱幫錨桿及錨索受力呈不斷增大趨勢(shì)，實(shí)體煤幫中部錨桿受力先增大后減小，底部錨桿受力不斷增大。其中，頂板錨索及巷幫錨桿受力在滯后工作面410m后趨于穩(wěn)定，煤柱幫錨索受力在滯后工作面360m后趨于穩(wěn)定。對(duì)于煤柱應(yīng)力變化，在滯后工作面后，4m位置深度應(yīng)力急劇增大，最大增幅達(dá)到19MPa，6～12m位置應(yīng)力緩慢增大，距巷幫較淺部2m位置在滯后工作面40m后即發(fā)生塑性破壞，應(yīng)力值不增反降；在滯后工作面396m后，煤柱應(yīng)力變化出現(xiàn)拐點(diǎn)，4m及6m深度位置應(yīng)力開(kāi)始減小，8～12m位置應(yīng)力基本平穩(wěn)。綜上可知，階段Ⅱ?qū)?yīng)范圍為工作面后方0～410m范圍。

3)階段Ⅲ：該階段錨桿、錨索受力及煤柱應(yīng)力均呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的趨勢(shì)，因此，該階段范圍為工作面后方410m外，且此階段煤柱塑性區(qū)范圍從2m擴(kuò)展至6m深度，可知，監(jiān)測(cè)全過(guò)程中，煤柱靠近回風(fēng)巷側(cè)最大破壞深度達(dá)到6m，而上區(qū)段工作面?zhèn)绕茐纳疃刃∮?3m。煤柱中心大部分區(qū)域保持穩(wěn)定，因此，可考慮在后期生產(chǎn)中適當(dāng)減小煤柱尺寸。

4)監(jiān)測(cè)全過(guò)程中未出現(xiàn)錨桿及錨索破斷現(xiàn)象。結(jié)合巷道圍巖觀測(cè)可知，回風(fēng)巷在超前于工作面期間巷道變形很小，進(jìn)一步說(shuō)明上層煤遺留煤柱對(duì)該巷道作用影響較??；而當(dāng)巷道進(jìn)入工作面后方480m范圍內(nèi)，巷道底鼓較為嚴(yán)重，最大處達(dá)到820mm，兩幫變形較小，頂板有破碎煤渣掉落，尤其頂板與煤柱幫銜接處較為明顯，480m后巷道底鼓較小，說(shuō)明巷道變形與錨桿錨索及煤柱受力變化趨勢(shì)總體一致，但巷道變形受影響距離更遠(yuǎn)。同時(shí)另一方面說(shuō)明針對(duì)性的支護(hù)措施能夠很好的控制巷道變形，但由于底板無(wú)支護(hù)措施，后期生產(chǎn)中需進(jìn)行少量起底工作。

5 結(jié) 論

1)孫家溝煤礦13313工作面回風(fēng)巷作為近距離煤層下層煤回采巷道，掘進(jìn)期間受到上層煤遺留煤柱作用、上區(qū)段工作面超前支承壓力作用、滯后支承壓力作用及采空區(qū)側(cè)向支承壓力多次擾動(dòng)，應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜。

2)研究表明，由于上層煤遺留煤柱距回風(fēng)巷水平距離較遠(yuǎn)，其影響作用很小。13313工作面回風(fēng)巷受上區(qū)段工作面超前支承壓力影響范圍約為60m，工作面后方影響范圍約為410m，之后進(jìn)入較為穩(wěn)定的沿空掘巷階段。整個(gè)監(jiān)測(cè)階段巷道變形主要表現(xiàn)為底鼓，且集中在工作面后方。煤柱回風(fēng)巷側(cè)最大破壞深度為6m，工作面?zhèn)绕茐纳疃刃∮?3m，煤柱中心大部分區(qū)域仍保持穩(wěn)定，因此可考慮下一工作面布置時(shí)適當(dāng)減小煤柱尺寸。

3)提出的針對(duì)性階段支護(hù)方案能夠較好地解決類(lèi)似迎采動(dòng)巷道的控制難題，保證采掘正常銜接與安全回采。