采空區(qū)及煤柱下回采巷道圍巖控制技術(shù)

馬 鑫，熊志朋

（1.晉城煤業(yè)集團(tuán) 技術(shù)中心，山西 晉城 048000；2.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003）

我國(guó)煤炭資源多以多煤層形式賦存，大部分礦區(qū)一般采用下行開采方式[1-3]。下行式開采過程中，上覆煤層回采完畢后，受采空區(qū)遺留煤柱在底板巖層中傳遞集中應(yīng)力的影響，下部煤層工作面回采巷道極易發(fā)生失穩(wěn)破壞，出現(xiàn)維護(hù)困難、返修率高等問題[4]，嚴(yán)重影響了工作面的安全回采。因此，研究對(duì)采空區(qū)及煤柱下回采巷道圍巖控制具有重要意義[5-6]?？椎轮衃7]等針對(duì)上煤層開采后底板應(yīng)力分布情況展開研究，分析煤柱底板應(yīng)力降低區(qū)范圍，同時(shí)發(fā)現(xiàn)由于上煤層殘余保護(hù)煤柱影響，底板不同深度應(yīng)力會(huì)呈現(xiàn)非均勻分布，從而導(dǎo)致巷道形成應(yīng)力集中。嚴(yán)國(guó)超等[8]利用多種手段對(duì)不同礦區(qū)巷道合理錯(cuò)距展開研究，提出根據(jù)周期來壓步距確定巷道位置。胡少軒等[9]發(fā)現(xiàn)不僅要考慮將巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)，還應(yīng)盡量布置在應(yīng)力改變率低的位置。上述研究針對(duì)底板應(yīng)力分布規(guī)律及下部煤層巷道位置合理性進(jìn)行了研究，但下煤層回采巷道與遺留煤柱在時(shí)空關(guān)系上相互交叉，巷道不同區(qū)段發(fā)生不同程度的失穩(wěn)破壞,如果僅僅采用單一的支護(hù)手段，則會(huì)造成支護(hù)材料的浪費(fèi)，無法達(dá)到較為理想的效果?；诖耍运潞用旱V二號(hào)井采空區(qū)下9#煤層巷道為研究對(duì)象，對(duì)采用分區(qū)優(yōu)化方法對(duì)采空區(qū)及煤柱下的不同位置巷道的支護(hù)參數(shù)分析，并提出合理的支護(hù)方案。

1 巷道圍巖破壞規(guī)律

1.1 工作面布置條件

晉煤集團(tuán)寺河煤礦和寺河煤礦二號(hào)井分別開采3#和9#煤層，礦井之間相互獨(dú)立且沒有從屬關(guān)系，兩煤層平均間距為50 m。寺河煤礦所采的3#煤層厚度 6.2 m，傾角平均 5°，埋深平均 395 m，頂板為泥巖和粉砂巖，底板為細(xì)砂巖和泥巖；寺河煤礦二號(hào)井所采9#煤層厚度1.2 m，傾角平均3°，埋深平均445 m，頂板為粉砂巖和細(xì)砂巖，底板為砂質(zhì)泥巖和細(xì)砂巖。寺河煤礦二號(hào)井正在回采九四盤區(qū)94313工作面，上部與之對(duì)應(yīng)的是寺河煤礦東二盤區(qū)東翼采區(qū)2305、2306工作面采空區(qū)，兩工作面間留有65 m遺留煤柱，且上下工作面呈現(xiàn)出3°角度交叉，上下工作面布置如圖1。

圖1 上下工作面相對(duì)位置圖

由于上下工作面在布置上相互交叉，致使94313工作面運(yùn)輸巷道大部分區(qū)段位于遺留煤柱下方，其中距切眼640～1 790 m區(qū)段完全處于煤柱下方，其余區(qū)段位于采空區(qū)之下；軌道巷道943132巷完全處于采空區(qū)下方?；夭上锏谰鶠榫匦螖嗝?，沿煤層底板掘進(jìn)，斷面尺寸為4.2 m×2.4 m，采用錨桿、錨索、鋼帶和金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，2條回采巷道支護(hù)方式相同。

1.2 巷道變形特征

943133巷整體與上覆3#煤層遺留煤柱斜交，且水平間距不一，處于煤柱下方的巷道區(qū)段發(fā)生嚴(yán)重的失穩(wěn)破壞，與采空區(qū)下巷道表現(xiàn)出了明顯的差異。煤柱下方巷道頂板極為破碎且出現(xiàn)大范圍“網(wǎng)兜狀”下沉，頂板下沉量較大，同時(shí)兩幫也出現(xiàn)大面積鼓幫現(xiàn)象；而采空區(qū)下方巷道收斂量較小，頂板比較完整。

在超前支承壓力影響下，工作面推進(jìn)至不同位置時(shí)，對(duì)煤柱下方距煤柱邊緣0、15、30 m和采空區(qū)下4個(gè)區(qū)域（分別對(duì)應(yīng)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ區(qū)域）巷道斷面頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟窟M(jìn)行統(tǒng)計(jì)。超前影響區(qū)巷道斷面移近量曲線如圖2。由圖2可以看出，處于煤柱影響范圍之內(nèi)的巷道斷面變形量較其它巷道斷面大，頂?shù)装搴蛢蓭鸵平枯^采空區(qū)下均有大幅提升，且隨著與煤柱中軸線距離的逐漸減小，移近量呈現(xiàn)出顯著增大的趨勢(shì)。受到上覆遺留煤柱傳遞支承應(yīng)力和超前支承壓力的耦合疊加作用[10]，巷道局部區(qū)段頂板高度已經(jīng)無法滿足設(shè)備的正常通過，亟待對(duì)巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

圖2 超前影響區(qū)巷道斷面移近量曲線

根據(jù)以上巷道變形的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，布置在煤柱和采空區(qū)下方回采巷道的圍巖特征表現(xiàn)出了明顯差異。位于煤柱下方的回采巷道處于應(yīng)力升高區(qū)，垂直應(yīng)力集中程度較大，且受非均勻應(yīng)力場(chǎng)的影響，巷道易發(fā)生失穩(wěn)破壞，表現(xiàn)為頂板破碎下沉、兩幫移近量大；位于采空區(qū)下方的回采巷道處于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，垂直應(yīng)力集中程度較低，有利于巷道的穩(wěn)定。

2 底板圍巖應(yīng)力分布規(guī)律

2.1 數(shù)值模型

根據(jù)3#、9#煤層實(shí)際地質(zhì)條件及采掘布置情況，建立FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型（圖3）。模型共有50 700個(gè)單元，在x軸方向上取600 m，在z方向上取125 m，對(duì)下煤層回采巷道區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。采用莫爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型，前后左右4個(gè)邊界限制水平方向上的位移，底部邊界為固定邊界；模型頂面施加應(yīng)力邊界條件，在垂直方向施加均布荷載為7.75 MPa，側(cè)壓系數(shù)取1.24。模擬中各巖層巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采掘布置條件，首先開挖3#煤層2305工作面，其次開挖2306工作面，然后選用各向同性彈性模型材料對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填，模擬現(xiàn)場(chǎng)垮落的矸石對(duì)頂板的支撐作用，彈性模型的體積模量取為1.0 GPa，剪切模量取為 0.7 GPa。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng) 3#煤層和9#煤層采掘布置條件，下部煤層94313工作面回采巷道與上覆采空區(qū)遺留煤柱以3°角度相互交叉，因此在模型中相對(duì)于煤柱不同水平位置開掘回采巷道，并按照巷道初始支護(hù)方式，采用錨索結(jié)構(gòu)單元對(duì)巷道支護(hù)進(jìn)行模擬，同一巷道斷面上兩幫各布置2根錨桿，頂板布置4根錨桿，1根錨索，錨桿索參數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)一致。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型示意圖

表1 模型各巖層力學(xué)參數(shù)

2.2 煤柱底板巖層應(yīng)力分布規(guī)律

上覆3#煤層工作面回采后，采空區(qū)及底板巖層原巖應(yīng)力狀態(tài)被打破，圍巖應(yīng)力重新分布[11-13]。煤柱承受的荷載不斷在底板巖層中傳遞演化，致使煤柱底板巖層產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)域；然而采空區(qū)周圍巖體垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力均較小，處于卸壓狀態(tài)。回采后圍巖垂直應(yīng)力分布云圖如圖4。

圖4 垂直應(yīng)力分布云圖

對(duì)煤柱底板不同深度巖層應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析，分別在 3#煤層底板 10、20、30、40、50 m 層位處布置應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，底板不同間距巖層垂直應(yīng)力分布曲線如圖5，圖中2條垂直虛線為遺留煤柱邊界。

圖5 底板不同間距巖層垂直應(yīng)力分布曲線

由圖5可知，上覆3#煤層回采后，底板巖層垂直應(yīng)力分布呈現(xiàn)出如下規(guī)律。

1）同一層位巖層在不同水平位置垂直應(yīng)力表現(xiàn)出了明顯差異，煤柱底板巖層垂直應(yīng)力較大，出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中區(qū)域；采空區(qū)底板巖層垂直應(yīng)力較小，出現(xiàn)了一定范圍的應(yīng)力降低區(qū)。

2）隨著層間距的逐漸增加，煤柱底板巖層垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力逐漸降低，垂直應(yīng)力由雙峰值的“馬鞍形”分布形式逐漸向單峰值的“鐘形”分布形式轉(zhuǎn)變，且垂直應(yīng)力影響程度逐漸降低，而影響范圍逐漸增大。

3）下部9#煤層垂直應(yīng)力呈現(xiàn)單峰值“鐘形”分布形態(tài)，煤柱中軸線下方20 m范圍出現(xiàn)垂直應(yīng)力峰值區(qū)域A，峰值應(yīng)力約為15 MPa；采空區(qū)下距離煤柱邊緣25 m處垂直應(yīng)力降低至原巖應(yīng)力，如圖5中D區(qū)域。

2.3 巷道圍巖應(yīng)力分布特征

為了分析煤柱下方回采巷道失穩(wěn)破壞特征及其原因，將回采巷道布置在煤柱中軸線正下方9#煤層位置，對(duì)巷道圍巖應(yīng)力、塑性區(qū)分布范圍進(jìn)行模擬分析。

煤柱中軸線下巷道穩(wěn)定性如圖6。數(shù)值模擬結(jié)果能夠反映出煤柱下方巷道圍巖應(yīng)力及塑性區(qū)分布情況，煤柱中軸線下方巷道兩幫出現(xiàn)垂直應(yīng)力集中且呈現(xiàn)對(duì)稱式分布，峰值應(yīng)力達(dá)到原巖應(yīng)力的2.3倍，急劇升高的垂直應(yīng)力是導(dǎo)致巷道發(fā)生失穩(wěn)破壞的主導(dǎo)因素。巷道圍巖水平應(yīng)力和剪切應(yīng)力均維持在較小的水平，對(duì)巷道的穩(wěn)定性影響較小。塑性破壞主要發(fā)生在巷道的頂板和兩幫，且頂板肩角處塑性破壞有向深部巖體擴(kuò)展的趨勢(shì)。

為了探究原支護(hù)方案下巷道最優(yōu)布置位置，對(duì)采空區(qū)下距煤柱邊緣 10、20、25、30、35 m 錯(cuò)距回采巷道兩幫垂直應(yīng)力進(jìn)行取點(diǎn)，不同布置方案巷道兩幫垂直應(yīng)力分布曲線如圖7。當(dāng)錯(cuò)距小于30 m時(shí)，不同錯(cuò)距垂直應(yīng)力分布變化較大，且兩幫應(yīng)力集中程度不同；當(dāng)錯(cuò)距達(dá)到30 m時(shí)，垂直應(yīng)力分布趨于穩(wěn)定。在原支護(hù)條件下，下部回采巷道的最優(yōu)布置位置為距煤柱邊緣30 m范圍之外。

圖6 煤柱中軸線下巷道穩(wěn)定性

圖7 不同布置方案巷道兩幫垂直應(yīng)力分布曲線

3 不同分區(qū)巷道圍巖控制方案

3.1 巷道圍巖控制原則

下部煤層回采巷道的穩(wěn)定性主要與巷道圍巖的應(yīng)力分布、巷道圍巖的巖性以及巷道的支護(hù)強(qiáng)度有關(guān)[14-16]。9#煤層回采巷道和上覆遺留煤柱相對(duì)位置關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，布置方式不盡相同。受到遺留煤柱傳遞支承應(yīng)力影響，巷道兩幫垂直應(yīng)力急劇增大，圍巖達(dá)到極限平衡狀態(tài)發(fā)生失穩(wěn)破壞，巷幫移近量較大。巷幫兩肩角處受到較大的垂直應(yīng)力而無法得到釋放，繼而發(fā)生剪切破壞，致使頂板產(chǎn)生大面積下沉。

基于此，根據(jù)下煤層應(yīng)力分布條件，采取分區(qū)支護(hù)的思想對(duì)不同位置巷道斷面進(jìn)行支護(hù)。通過對(duì)巷道破壞特征的分析，在支護(hù)參數(shù)優(yōu)化時(shí)應(yīng)增大頂板及肩角處的支護(hù)范圍，提高兩幫的支護(hù)強(qiáng)度。

3.2 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)下部9#煤層垂直應(yīng)力分布特征及巷道支護(hù)理論，采用分區(qū)支護(hù)的思想，對(duì)交叉區(qū)域巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，交叉區(qū)域相對(duì)位置如圖8。

圖8 下部煤層回采巷道加強(qiáng)支護(hù)區(qū)域示意圖

1）布置在采空區(qū)下方且與上覆遺留煤柱邊緣錯(cuò)距超過30 m的巷道，巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境較好，采用常規(guī)支護(hù)方案即可滿足巷道支護(hù)強(qiáng)度要求。

2）布置在遺留煤柱中央20 m范圍下方的巷道，如圖8A區(qū)域巷道，由于巷道圍巖垂直應(yīng)力較大，較易發(fā)生失穩(wěn)破壞，優(yōu)化支護(hù)方案為：采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，頂板布置5根左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，規(guī)格為 φ20 mm×2 000 mm，間排距為 900 mm×800 mm；頂板布置3根鋼絞線錨索，規(guī)格為φ21.8 mm×8 000 mm，間排距為1 200 mm×1 600 mm，與頂部錨桿相互交錯(cuò)，并鋪設(shè)金屬網(wǎng)；兩幫各布置4根錨桿，間排距為500 mm×800 mm，并鋪設(shè)塑性護(hù)幫網(wǎng)。A區(qū)域巷道優(yōu)化支護(hù)斷面圖如圖9。

圖9 A區(qū)域巷道優(yōu)化支護(hù)斷面圖

3）布置在遺留煤柱下方距煤柱中軸線10 m范圍之外、距煤柱邊緣30 m范圍之內(nèi)的巷道，如圖8 B區(qū)域巷道，優(yōu)化支護(hù)方案為：采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，頂板布置4根左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，規(guī)格為φ20 mm×2 000 mm，間排距為 1 200 mm×1 000 mm；頂板布置3根鋼絞線錨索，規(guī)格φ21.8 mm×8 000 mm，間排距為1 200 mm×2 000 mm，與頂板錨桿相互交錯(cuò)，并鋪設(shè)金屬網(wǎng)；兩幫各布置3根錨桿，間排距為600 mm×1 000 mm。B區(qū)域巷道優(yōu)化支護(hù)斷面圖如圖10。

圖10 B區(qū)域巷道優(yōu)化支護(hù)斷面圖

3.3 支護(hù)效果模擬

煤柱支承應(yīng)力影響下巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后，對(duì)巷道開挖支護(hù)后圍巖塑性區(qū)和變形量進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。A區(qū)域巷道開挖和支護(hù)后巷道圍巖的變形量如圖11，頂?shù)装逡平坑稍桨傅?45 mm下降至135 mm，降低了60.9%；兩幫移近量由原來的302 mm降低至112 mm，降低了62.9%。B區(qū)域優(yōu)化后巷道圍巖變形量如圖12，頂?shù)装逡平坑稍ёo(hù)方案的262 mm下降至109 mm，降低了58.4%；兩幫移近量由原來的258 mm降低至105 mm，降低了59.3%。

圖11 A區(qū)域優(yōu)化后巷道圍巖變形量

圖12 B區(qū)域優(yōu)化后巷道圍巖變形量

支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后回采巷道塑性區(qū)分布如圖13，巷道的屈服破壞范圍出現(xiàn)明顯的下降，A區(qū)域回采巷道兩幫塑性破壞區(qū)域由原來的3.5 m減小至2 m，頂板由原來的3.5 m降低至2 m；B區(qū)域回采巷道兩幫塑性破壞區(qū)域由原來的3 m降低至2 m，頂板由原先的3 m降低至1.5 m。巷道頂板肩角處破壞范圍明顯減小，且未向深部巖體擴(kuò)展。

圖13 優(yōu)化支護(hù)參數(shù)巷道圍巖塑性區(qū)

支護(hù)方案優(yōu)化后，煤柱集中應(yīng)力影響下巷道變形量及塑性區(qū)范圍均出現(xiàn)大幅降低，頂板下沉量較小，巷道穩(wěn)定性得到了大幅提升。

4 圍巖控制效果與分析

考慮到9#煤層該開采盤區(qū)薄、開采難度大及安全性等條件，回采巷道布置在距離煤柱邊緣30 m處的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)94315工作面回采巷道布置方式如圖14。943151巷和943153巷與煤柱邊緣的錯(cuò)距均為30 m，避開了上覆3#煤層遺留煤柱傳遞的支承壓力影響，工作面布置整體與上覆遺留煤柱平行，不存在交叉的情況，回采巷道采用常規(guī)支護(hù)方式進(jìn)行支護(hù)。

圖14 94315工作面布置示意圖

為了觀測(cè)巷道圍巖控制效果，在943153巷掘巷期間對(duì)巷道圍巖位移量和頂板離層量進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果如圖15。巷道掘進(jìn)后60 d圍巖位移量趨于穩(wěn)定，其中頂?shù)装逡平孔畲鬄?0 mm，兩幫移近量最大為35 mm；頂板離層量在掘進(jìn)后80 d左右趨于穩(wěn)定，其中深基點(diǎn)位移量為8 mm，淺基點(diǎn)位移量為6 mm。由此可知，回采巷道開掘之后圍巖變形量較小，頂板出現(xiàn)一定程度的離層，但離層量較小且趨于穩(wěn)定，未出現(xiàn)錨桿的斷裂失效，巷道能維持自身的穩(wěn)定。

圖15 巷道位移量及頂板離層觀測(cè)曲線

5 結(jié)論

1）受上覆遺留煤柱傳遞支承應(yīng)力的影響，94313工作面943133巷道發(fā)生嚴(yán)重失穩(wěn)破壞，頂板出現(xiàn)大面積“網(wǎng)兜狀”破碎下沉，兩幫移近量大，常規(guī)支護(hù)無法滿足巷道的穩(wěn)定。

2）隨著層間距的增加，煤柱底板巖層垂直應(yīng)力逐漸降低，由雙峰值的“馬鞍形”分布形態(tài)向單峰值的“鐘形”分布形態(tài)轉(zhuǎn)變，在9#煤層產(chǎn)生明顯的應(yīng)力升高區(qū)域。煤柱傳遞的垂直集中應(yīng)力是導(dǎo)致下部煤層回采巷道發(fā)生失穩(wěn)破壞的主要因素。

3）根據(jù)9#煤層垂直應(yīng)力分布特點(diǎn)及巷道地質(zhì)條件，對(duì)交叉區(qū)域巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行分區(qū)優(yōu)化，優(yōu)化后巷道圍巖變形量及塑性范圍均得到大幅降低?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，巷道頂?shù)装搴蛢蓭鸵平枯^小，頂板離層量較小且未出現(xiàn)錨桿的破斷失效，巷道穩(wěn)定性較好。