極近距離遺留煤柱底板破壞機理與巷道支護技術(shù)研究

趙智楠

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦，山西 方山 033100）

隨著煤炭資源的開采，在一些老舊開采礦區(qū)，地質(zhì)賦存好的煤炭資源逐漸開采殆盡，遺留的煤炭資源中近距離煤層占比逐漸加大，近距離煤層群開采問題逐漸引起關(guān)注[1-3]。近距離煤層開采通常采用下行開采，煤層受到的擾動影響主要與煤層間距相關(guān)，由于上煤層開采形成的移動支承應(yīng)力造成下煤層頂板巖層破壞，在下煤層開掘巷道時，極易造成頂板垮落現(xiàn)象，同時由于上覆采空區(qū)垮落壓實程度的不同，造成下煤層開采時礦壓顯現(xiàn)規(guī)律復(fù)雜多變，增加了下煤層開采的難度[4-5]。

1 概況

木瓜礦位于呂梁市方山縣境內(nèi)，礦井可采儲量約4902 萬t，可采煤層共四層，分別為3#煤、5#煤、9#煤、10#煤，目前主采10#煤層。二盤區(qū)9#煤和10#煤層間距2～10 m，屬極近煤層開采。二盤區(qū)9#煤層已開采結(jié)束，9#煤層工作面之間留設(shè)20 m 寬的保護煤柱，在布置10#煤層工作面時，采用外錯5 m 布置下層煤回采巷道。圖1 給出了9-101、9-103、10-103、10-105 工作面布置空間示意圖。其中，10-103 工作面煤層平均厚度2.95 m，直接頂為0.3～1.8 m（平均1.2 m）厚的黑色泥巖，基本頂為0.5～2.2 m（平均1.4 m）厚的灰黑色砂質(zhì)泥巖，直接底為平均0.8 m 厚的黑色泥巖，基本底為平均2.84 m厚的灰白色泥巖。

圖1 工作面布置空間示意圖

2 遺留煤柱底板變形破壞機理

在下行開采煤層群時，由于上方的煤層采出，其頂?shù)装鍘r層出現(xiàn)整體性破壞，底板巖層隨著開采程度的增加，其圍巖應(yīng)力環(huán)境逐漸調(diào)整，并通過未采煤體和遺留煤柱向下傳遞，直接影響下層煤的穩(wěn)定性。如圖2 所示，可將采空區(qū)下伏巖層分為3 個區(qū)域，包括主動應(yīng)力Ⅰ區(qū)、過渡Ⅱ區(qū)以及被動應(yīng)力Ⅲ區(qū)。主動應(yīng)力Ⅰ區(qū)巖層受上覆附加應(yīng)力影響，表現(xiàn)為垂直壓縮變形；過渡Ⅱ區(qū)受上覆附加應(yīng)力和Ⅰ區(qū)巖層影響，表現(xiàn)為垂直壓縮變形和水平膨脹變形；被動應(yīng)力Ⅲ區(qū)上覆煤層采空，約束力降低，表現(xiàn)為向采空區(qū)側(cè)向膨脹。

圖2 底板巖層破壞機理示意圖

由于9#煤層留設(shè)的煤柱為兩側(cè)采空狀態(tài)（9-101采空區(qū)和9-103 采空區(qū)），經(jīng)計算，上層煤底板破壞深度在3～5 m 范圍內(nèi)，地質(zhì)資料顯示，二盤區(qū)9#煤和10#煤層間距在2～10 m，因此，存在煤層間距小于5 m，該范圍內(nèi)兩層煤間距較近，上煤層采空區(qū)直接影響到下煤層頂板的完整性和穩(wěn)定性，致使10-103 工作面形成復(fù)合軟弱頂板，給10-103 工作面開采和巷道頂板控制帶來一定的困難。

3 遺留煤柱下錨網(wǎng)索主動聯(lián)合支護技術(shù)

10-103 運輸巷掘進斷面為矩形，尺寸為5.0 m×3.2 m，巷道采用錨網(wǎng)索主動聯(lián)合支護，如圖3。其中，頂板采用高強錨桿+預(yù)應(yīng)力錨索以提高頂板巖層強度，支護參數(shù)如下：

（1）頂板采用Φ20 mm×L2500 mm的高強錨桿，配套使用1 支CK2340、1 支Z2360 樹脂錨固劑，錨固長度不低于1.0 m，配套使用特制的沖擊碟形墊片，規(guī)格130 mm×8 mm×22.5 mm，錨桿間距880 mm、排距為1000 mm，預(yù)緊扭矩不低于280 Nm。

（2）幫部采用Φ16 mm×L1500 mm 的等強錨桿，配套使用1 支CK2340 樹脂錨固劑，同時配套普通墊片，規(guī)格130 mm×8 mm×16.5 mm，錨桿間距為880 mm，排距為1000 mm，預(yù)緊扭矩不低于

100 Nm。

（3）頂板采用錨索加強支護，錨索采用規(guī)格為Φ18.9 mm×L6200 mm 的鋼絞線，配套使用2 支CK2340、2 支Z2360 樹脂錨固劑，錨固長度不低于2.0 m，配套錨索鋼板托盤，規(guī)格300 mm×300 mm×16 mm，錨索間距為2000 mm，排距為3000 mm，預(yù)緊力不低于40 MPa。

（4）頂幫錨桿均采用雙筋梯子梁連接，梯子梁由Φ12 mm 圓鋼焊接而成。

（5）頂幫均鋪設(shè)菱形金屬網(wǎng)，菱形金屬網(wǎng)采用12#鐵絲編制而成，頂網(wǎng)和幫網(wǎng)規(guī)格分別為4800 mm×1200 mm、2600 mm×1200 mm。

圖3 巷道支護斷面圖

4 巷道圍巖控制效果分析

采用錨網(wǎng)索主動聯(lián)合支護技術(shù)后，進行了現(xiàn)場工業(yè)性試驗，采用位移收斂儀監(jiān)測了巷道變形情況。圖4 和圖5 分別給出了10-103 運輸巷四個位移觀測站的頂?shù)装遄冃魏蛢蓭妥冃吻€。巷道變形主要發(fā)生在開掘60 d 內(nèi)，巷道掘出60 d 后圍巖趨于穩(wěn)定，巷道頂?shù)装遄畲笞冃瘟吭?5～70 mm 之間。頂板快速變形發(fā)生在掘出30～40 d 內(nèi)，平均變形速度約為1.2 mm/d，后期變形速度逐漸減小并趨于穩(wěn)定。巷道兩幫最大變形在60～68 mm 之間，兩幫快速變形發(fā)生在掘出50 d 內(nèi)，平均變形速度約1.1 mm/d，后期變形速度逐漸減小并趨于穩(wěn)定。整體來看巷道變形量均在可控范圍內(nèi)，表明了支護技術(shù)和參數(shù)的合理性。

圖4 巷道頂?shù)装遄冃吻€

圖5 巷道兩幫變形曲線

5 結(jié)論

（1）極近距離煤層的底板破壞變形劃分為三個區(qū)域：主動應(yīng)力Ⅰ區(qū)、過渡Ⅱ區(qū)以及被動應(yīng)力Ⅲ區(qū)。

（2）設(shè)計了極近距離遺留煤柱下回采巷道錨網(wǎng)索主動聯(lián)合支護方案，現(xiàn)場礦壓監(jiān)測結(jié)果顯示，巷道頂?shù)装遄畲笞冃卧?5～70 mm 之間，巷道兩幫最大變形在60～68 mm 之間，均在可控范圍內(nèi)，表明了支護技術(shù)的合理性和可靠性。