近距離煤層群回采巷道破壞特征與支護穩(wěn)定控制探討

武興貴

（山西離柳焦煤集團有限公司，山西 孝義 032300）

近距離煤層群在我國分布廣泛，許多礦井在近距離煤層開采中都遇到關(guān)乎礦井安全高效開采的問題[1-5]。山西離柳焦煤礦為多煤層開采，與單一煤層相比，下部煤層開采之后，處于上方的中部煤層會在一定區(qū)域內(nèi)形成應(yīng)力集中區(qū)域和應(yīng)力降低區(qū)域，同時下部煤層的開采還會使得巖層產(chǎn)生較大的移動變形，下部煤層回采形成的斷裂區(qū)域或者裂隙區(qū)域會向上發(fā)展，延伸區(qū)域可能會到達中部煤層[6-12]。所以有必要針對離柳焦煤礦具體情況對回采巷道支護進行研究以便保證礦井安全高效的開采。

1 工程概況

山西離柳焦煤礦在開采完上部較厚的7煤和與7煤距離較近的8煤后，越過了處于中部的9煤，開采了下部煤層較厚的12煤。在7煤、8煤與12煤開采之后，為了延長礦井生產(chǎn)年限，提高資源回收率，9煤也需要進行開采。9煤位于上部煤層7煤、8煤與下部煤層12煤之間，9煤屬于中部煤層，7煤、8煤、12煤工作面全部采用垮落法處理采空區(qū)，因此9煤的開采將受到7煤、8煤和12煤開采后形成的雙重采空區(qū)影響，部分區(qū)域還存在煤層開采后形成遺留的區(qū)段煤柱，中部9煤的應(yīng)力分布與圍巖破壞情況都會受到極大的影響，合理選擇中部煤層9煤回采巷道布置方式尤其重要。上部8煤層1681、1682、1683工作面已于2010年開采完畢，上部7煤層1671、1673工作面已開采完畢，下部12煤層1622工作面已于2015年開采完畢。9煤與8煤間距為1.2～10.8 m，平均間距5.6 m，與下部12煤間距31 m。1681、1682工作面間殘留有區(qū)段保護煤柱，寬度為8 m。上部8煤層1681西、1682西已采畢，上部7煤層1671西、1673西已采畢，下部12-1煤層1622西已采畢。煤層剖面示意圖如圖1。

圖1 煤層剖面示意圖

2 不同錯距回采巷道破壞特征規(guī)律分析

2.1 回采巷道布置區(qū)域應(yīng)力改變率分布

對于近距離煤層群開采，在上部煤層7煤、8煤與下部煤層12煤開采后，9煤煤層的垂直應(yīng)力分布如圖2。在中部煤層9煤煤層不同部位存在應(yīng)力增高區(qū)與應(yīng)力降低區(qū)，應(yīng)力峰值可達到30 MPa。以下部煤層1622工作面兩側(cè)煤壁為邊界，錯距在-5 m～5 m（采空區(qū)外側(cè)為負，內(nèi)側(cè)為正）為應(yīng)力增高區(qū)，若不考慮應(yīng)力變化率的影響，回采巷道只需布置在采空區(qū)內(nèi)側(cè)或采空區(qū)外側(cè)煤壁5 m處即可。

圖2 煤層的垂直應(yīng)力分布

由應(yīng)力變化率公式處理測線應(yīng)力數(shù)據(jù)，可得應(yīng)力變化率曲線如圖3。圖中黑色實線是下部煤層12煤1622工作面兩側(cè)煤壁界限，黑色虛線為垂直應(yīng)力改變率拐點，在煤壁邊界兩側(cè)的黑色虛線之間垂直應(yīng)力不均衡程度較大，不適合布置回采巷道。從圖中可以看出，采空區(qū)內(nèi)側(cè)30 m及煤壁側(cè)5 m外垂直應(yīng)力變化率較低且在一定區(qū)域內(nèi)趨于穩(wěn)定，在上部7煤、8煤殘留煤柱。煤壁影響的區(qū)域垂直應(yīng)力變化率又變得很大且不穩(wěn)定。所以，根據(jù)垂直應(yīng)力變化率分布的情況，中部煤層9煤回采巷道的布置應(yīng)該內(nèi)錯30 m或者外錯10 m。

圖3 上下煤層開采后9煤垂直應(yīng)力變化率分布曲線圖

結(jié)合對垂直應(yīng)力分布及垂直應(yīng)力變化率的分析，以下部煤層12煤1622工作面兩側(cè)煤壁為界限，上部煤層7煤、8煤與下部煤層12煤開采后，9煤沉降位移不會對回采巷道布置產(chǎn)生較大影響，以1622工作面兩側(cè)煤壁為界限，煤壁側(cè)0～25 m和采空區(qū)10～20 m范圍內(nèi)是裂隙富集區(qū)域，所以結(jié)合對裂隙、應(yīng)力的綜合考慮，中部煤層9煤回采巷道應(yīng)該外錯25 m或者內(nèi)錯30 m布置。

2.2 不同錯距回采巷道破壞特征及圍巖變形量

通過在巷道頂?shù)装鍘r層及兩幫煤層中心內(nèi)設(shè)置監(jiān)測點，用來觀測巷道開挖前后的頂板下沉量、底板鼓起量及兩幫的移近量，如圖4。上部煤層7煤、8煤與下部煤層12煤開采穩(wěn)定后，在中部煤層9煤不同位置處開挖回采巷道。內(nèi)錯式布置即在1622采空區(qū)上方布置回采巷道，其頂?shù)装逡平恳∮谕忮e式布置，外錯式布置巷道時，頂?shù)装逡平侩S著錯距的減小而增大。當(dāng)巷道外錯5 m布置在下部煤層12煤實體煤區(qū)域上方時，回采巷道處于裂隙富集區(qū)與應(yīng)力變化率較高的區(qū)域，巷道頂?shù)装逡平靠蛇_到435 mm；當(dāng)巷道處于重疊式布置時，回采巷道布置位置處于高應(yīng)力與應(yīng)力變化率較高的疊加區(qū)域，回采巷道頂?shù)装逡平窟_到461 mm。當(dāng)巷道由應(yīng)力增高區(qū)進入應(yīng)力降低區(qū)域后，巷道變形量顯著減小，但是由于處于應(yīng)力變化率較高的區(qū)域，頂?shù)装迦詴l(fā)生變形。當(dāng)回采巷道布置位置再次進入裂隙富集區(qū)域后，頂?shù)装逡平坑謺兇?。?dāng)回采巷道布置在下部煤層12煤1622工作面采空區(qū)內(nèi)30 m時，回采巷道的位置處于低應(yīng)力區(qū)域且不受裂隙富集區(qū)的影響，回采巷道可以基本維持穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 巷道圍巖變形量

綜上所述，回采巷道的圍巖變形量隨著從原巖應(yīng)力區(qū)過渡到應(yīng)力增高區(qū)再過渡到應(yīng)力降低區(qū)，變形量依次經(jīng)歷了先增大后減小的變化。巷道圍巖變形量最大的區(qū)域出現(xiàn)在應(yīng)力增高區(qū)與強應(yīng)力改變區(qū)，同時裂隙富集區(qū)域也會對巷道變形產(chǎn)生影響。在實際工程中，即使巷道布置在低應(yīng)力區(qū)域，也會由于巷道圍巖裂隙發(fā)育多，圍巖破碎，增加巷道的施工與支護難度。

2.3 煤層回采巷道變形破壞特征及原因分析

煤礦最深開采水平為-850 m，較高的地應(yīng)力與動壓的雙重影響會使得巷道圍巖變形量較大。如圖5，同一煤層開采時，相鄰工作面會對巷道產(chǎn)生動壓影響，上部煤層開采時也會對下部巷道產(chǎn)生動壓影響。雖然已經(jīng)將9煤回采巷道布置在9煤的低應(yīng)力、低應(yīng)力改變率及裂隙發(fā)育較少的區(qū)域，支護容易，但是由于上部煤層與下部煤層開采后對層間巖層的影響，在本煤層開采時回采巷道的礦壓顯現(xiàn)依舊強烈，在多因素的影響下巷道會出現(xiàn)頂板維護困難、兩幫移近量大及底鼓現(xiàn)象嚴重等現(xiàn)象。

圖5 回采巷道的變形破壞

3 煤層回采巷道支護設(shè)計優(yōu)化方案

3.1 優(yōu)化支護方案

錨索是由鋼鉸線組成的柔性支護材料，錨索與錨桿相比，可以發(fā)生一定程度的彎曲且長度不會受到所處空間的制約。由于錨索自身具有較強承受載荷的能力，在礦井支護中一般都會將錨桿與錨索配套使用。但是錨索的使用受到價格的制約，錨索位置的選擇尤其重要，錨索布置位置合理可以對頂板和底板控制起到關(guān)鍵作用。如圖6，具體優(yōu)化支護方案為：錨桿預(yù)緊力55 kN，錨桿錨固劑選擇的是樹脂藥卷，采用鐵質(zhì)托盤與木質(zhì)托盤組合的方式與錨桿配套使用，木質(zhì)托盤長150 mm、寬150 mm、厚30 mm，鐵質(zhì)托盤長120 mm、寬120 mm、厚10 mm。底角傾斜錨桿選擇的是直徑34 mm、長度2000 mm的無縫鋼管，排距為800 mm，水平夾角為15°，配套使用金屬網(wǎng)。

圖6 回采巷道支護方案

3.2 變形控制監(jiān)測

在臨近采空區(qū)掘巷后，煤體原始應(yīng)力狀態(tài)受到破壞。在成巷的前10 d內(nèi)，巷道頂?shù)装迨諗克俾首畲筮_到5.3 mm/d，兩幫收斂速率最大達到4.1 mm/d。隨著巷道圍巖應(yīng)力逐漸平衡，巷道收斂速度逐漸衰減，表現(xiàn)為觀測的18～28 d內(nèi)，大巷變形逐漸趨于緩和，巷道收斂速率變化較為平緩，巷道表面移近量近似直線增長。巷道頂?shù)装逦灰魄€和兩幫移近量曲線均在監(jiān)測28 d后逐漸變平，表現(xiàn)為巷道收斂速率逐漸降低。監(jiān)測36 d后，巷道頂?shù)装迨諗克俾屎蛢蓭褪諗克俾识疾怀^1 mm/d，巷道圍巖接近于平衡狀態(tài)。整體來看，使用中空注漿錨桿索支護后，巷道圍巖收斂率較小。

4 結(jié)論

本文通過分析回采巷道實際變形破壞情況及原有的支護方案，提出了支護設(shè)計優(yōu)化方案，通過在不同位置處布置錨桿錨索及將錨桿、錨索、無縫鋼管和金屬網(wǎng)配套使用對回采巷道的頂?shù)装寮皟蓭推鸬接行У目刂?。該支護方式可以在一定程度上改善巷道周圍應(yīng)力狀態(tài)，提升圍巖強度。