近距離煤層殘留煤柱下回采巷道變形破壞研究

王智欣，高林君，周 博，胡 偉

(陜西德源府谷能源有限公司三道溝煤礦，陜西 府谷 719400)

0 引言

受開采條件限制，在采區(qū)邊界及集中大巷兩側(cè)不可避免會留設不規(guī)則形狀的煤柱，有時煤柱尺寸可達10～200 m[1-3]。近距離煤層開采時，受斷層、煤厚變化等因素影響，上下煤層工作面會出現(xiàn)交叉布置，導致下煤層工作面或回采巷道處于上煤層殘留煤柱下方。由于煤層間距較小，受上煤層殘留煤柱傳遞的集中應力影響，勢必給下煤層工作面安全生產(chǎn)及巷道支護帶來困難[4-7]。

曹寶良等[8]總結(jié)分析了開灤礦區(qū)在上煤層殘留煤柱下方3個綜采面的煤礦觀測資料，得出殘留煤柱對下部煤層影響范圍及最大支承壓力點等。王震等[9]針對近距離煤層殘留煤柱下方煤巷支護問題，提出對上部殘留煤柱爆破卸壓、避開集中應力區(qū)及加強巷道支護等3種解決方案?？道^忠等[10]采用數(shù)值計算的方法揭示近距離煤層殘留煤柱下巷道圍巖變形影響規(guī)律。劉洪林等[11]實地監(jiān)測近距離殘留煤柱下巷道破壞特征，并提出了基于破碎圍巖注漿和高強度錨桿支護的巷道修復技術(shù)。

在西部礦區(qū)某礦，2中煤層工作面部分回采巷道處于2上煤層殘留的不規(guī)則煤柱下部。下煤層開采過程中，頂板上部殘留煤柱尺寸減小，致使下煤層區(qū)段煤柱及回采巷道壓力增加，回采巷道出現(xiàn)嚴重變形破壞。文中通過現(xiàn)場實測等方法，探究下煤層區(qū)段煤柱應力分布與發(fā)展過程、頂板及兩幫收斂變形過程和巷道破壞過程，闡述近距離煤層不規(guī)則殘留煤柱下回采巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，為今后類似開采條件下的巷道支護設計提供借鑒與理論依據(jù)。

1 工程概況

西部礦區(qū)某礦2上煤層已回采完畢，現(xiàn)回采2中煤層。2上煤層均厚3.5 m，傾角0°～3°；2中煤層均厚3.3 m，傾角0°～5°。2中與2上煤層之間為平均厚度5.0 m的砂質(zhì)泥巖。2上煤層開采過程中形成不規(guī)則形狀的殘留煤柱，2中煤層20314工作面回采時部分巷道處于上部殘留煤柱下方。殘留煤柱賦存情況及上下煤層工作面空間關(guān)系如圖1所示，工作面巖層柱狀如圖2所示。

圖1 殘留煤柱及上下煤層工作面巷道布置

圖2 巖層柱狀

20314 輔運巷沿著煤層頂板掘進，寬5.2 m，高3.3 m。巷道頂板支護使用錨桿、錨索、鋼帶與菱形鉛絲網(wǎng)，并對頂板噴漿50 mm。兩幫支護使用螺紋鋼錨桿、圓鋼鋼帶與菱形鉛絲網(wǎng)。殘留煤柱下部20314輔運巷內(nèi)支設單體液壓支柱支護頂板，巷道每排布置4根單體液壓支柱，排距1 000 mm。

2 監(jiān)測設備布置

20314工作面回采前，在不規(guī)則殘留煤柱下部20314輔運巷內(nèi)布置5#測站、6#測站。為獲得完整的數(shù)據(jù)，測站監(jiān)測內(nèi)容包括：①頂板巖層位移監(jiān)測；②巷道圍巖表面位移監(jiān)測；③巷道區(qū)段煤柱側(cè)煤體垂直應力監(jiān)測，如圖3所示。

圖3 20314輔運巷巷道監(jiān)測設備安裝

2.1 頂板煤巖體深部位移監(jiān)測

在巷道頂板圍巖內(nèi)部布置鉆孔，鉆孔內(nèi)安設有5個錨固點的多點位移計，錨固點的深度分別為1 m、2 m、4 m、7 m及10 m，以此方法記錄巷道頂板深部巖層位移數(shù)據(jù)。

2.2 巷道圍巖表面位移監(jiān)測

在測站位置，巷道頂板及兩幫分別布置測點，采用激光測槍測量測點之間的距離變化量，通過計算獲得巷道頂?shù)装逑鲁亮亢蛢蓭鸵平俊?/p>

2.3 巷道幫部煤體應力監(jiān)測

在巷道區(qū)段煤柱幫部煤體內(nèi)部布置鉆孔，鉆孔內(nèi)安設液壓枕，記錄幫部煤體的垂直應力變化情況。在每組測站位置，9個鉆孔應力計打設到區(qū)段煤柱的煤體內(nèi)，相鄰應力計間距為0.8 m。

3 巷道破壞過程

根據(jù)現(xiàn)場觀測結(jié)果，20314工作面回采至20112工作面采空區(qū)下部時，研究區(qū)域內(nèi)(不規(guī)則殘留煤柱下部的20314輔運巷)回采巷道圍巖變形較大：6#測站附近的巷道首先出現(xiàn)圍巖大變形，5#測站附近的巷道滯后出現(xiàn)圍巖大變形，巷道的收斂變形滯后于20314工作面推采，但研究區(qū)域內(nèi)頂?shù)装遄罱K全部閉合，兩幫破壞嚴重。

考慮到5#測站監(jiān)測數(shù)據(jù)不完整，以6#測站處巷道圍巖變形為例說明巷道破壞過程。20314工作面推采過殘留煤柱S1時20314輔運巷破壞過程經(jīng)歷3個階段，如圖4所示。

(圖中負數(shù)表示6#觀測位置在工作面前部，正數(shù)表示觀測位置在工作面后部)

3.1 第1階段

如圖5所示，多點位移計監(jiān)測結(jié)果顯示頂板上方2 m范圍內(nèi)的基點(M1、M2)發(fā)生離層，離層量分別為218 mm、163 mm，頂板離層范圍小于2.0 m。如圖6所示，當20314工作面位于6#測站后部30～74 m之間時，區(qū)段煤柱側(cè)煤幫最大水平位移為0.42 m。頂?shù)装迨諗孔冃瘟繛?.29 m，其中底板變形量占82.3%。圖7為20314工作面回采引起的區(qū)段煤柱垂直應力變化過程。20314工作面在6#測站后部16 m時，煤柱處垂直應力曲線呈馬鞍狀。區(qū)段煤柱一側(cè)的垂直應力峰值為14.3 MPa，煤柱另一側(cè)的垂直應力峰值為12.9 MPa。

圖5 20314輔運巷6#測站巷道頂板垂直位移

圖6 工作面推采時巷道6#測站位置收斂變形(水平坐標中負數(shù)代表工作面在測站后部)

圖7 20314工作面推進至相對6#測站不同位置時區(qū)段煤柱垂直應力分布

此階段上煤層殘留煤柱受采動影響較少，整體承受的載荷不斷增加，20314輔運巷兩側(cè)煤體(煤柱)出現(xiàn)應力集中的現(xiàn)象。

3.2 第2階段

如圖5顯示，多點位移計記錄顯示多點位移計數(shù)據(jù)增長較大，其中M4基點數(shù)據(jù)增加至183 mm。說明第2階段頂板離層已經(jīng)發(fā)展到頂板深部4～7 m。如圖6所示，20314工作面推進至相對6#測站-10～30 m時，煤柱側(cè)幫部最大水平位移0.71 m，巷道水平方向收斂變形達19.6%；巷道垂直方向收斂變形大幅度增加至0.91 m，其中底鼓引起的變形達到0.55 m。20314工作面位于6#測站前部22 m時的垂直應力變化曲線，如圖7所示。區(qū)段煤柱處垂直應力峰值突然增加到25.5 MPa，平均垂直應力由8.7 MPa增加至14.2 MPa。區(qū)段煤柱垂直應力增加暗示著額外的載荷已經(jīng)轉(zhuǎn)移到煤柱上方。

上述現(xiàn)象表明，隨著20314工作面推采，上煤層S1殘留煤柱繼續(xù)減少，承受的載荷繼續(xù)增大。上煤層殘留煤柱將增大的載荷傳遞至20314輔運巷圍巖，20314輔運巷圍巖承受的載荷增大，這是20314輔運巷兩幫煤體破壞的主要原因。

3.3 第3階段

如圖6所示，在此階段，當20314工作面推進至超前6#測站30 m時，20314輔運巷水平方向收斂變形快速增加；當20314工作面推進至超前6#測站35 m時，20314輔運巷頂板下沉和底鼓快速增加。巷道垂直方向最大收斂變形量達到2.6 m(其中頂板下沉占到53.85%)，巷道水平方向收斂變形量大于3.04 m(其中區(qū)段煤柱側(cè)煤幫變形達到67.6%)。此階段多點位移計已損壞，所以頂板巖層運動數(shù)據(jù)缺失。

如圖7所示，20314工作面位于6#測站前部58 m時，形成雙峰狀壓力曲線。煤柱一側(cè)的垂直應力峰值降低至7.7 MPa，另外一側(cè)的垂直應力峰值降低至11.6 MPa。平均垂直應力由14.2 MPa降低至6.2 MPa。垂直應力的變化說明區(qū)段煤柱6#測站位置兩側(cè)的塑性破壞區(qū)域已經(jīng)深入到煤柱中部，整個煤柱已完全失效。相比第2階段，20314輔運巷嚴重的巷道變形說明此時區(qū)段煤柱處在應變軟化階段[12]。上覆頂板巖層垂直集中應力是20314輔運巷區(qū)段煤柱側(cè)幫部煤體被大面積擠出的主要原因。

巷道整體變形破壞情況如圖4所示，此時巷道6#測站處的單體液壓支柱幾乎全部失效。20314輔運巷發(fā)生比較明顯的大變形，尤其是巷道頂板區(qū)段煤柱側(cè)較大的下沉量，預示著區(qū)段煤柱已經(jīng)屈服失效，區(qū)段煤柱處于殘余強度階段。

上述現(xiàn)象表明，隨著20314工作面的推進，上煤層S1殘留煤柱繼續(xù)減少直至最終成為孤立的三角形煤柱。而三角形煤柱下部的下煤層區(qū)段煤柱首先屈服失穩(wěn)破壞，造成6#測站處頂板呈現(xiàn)傾斜狀。

4 結(jié)論

(1)20314輔運巷的收斂變形滯后于20314工作面推采，6#測站附近的巷道首先出現(xiàn)圍巖大變形，5#測站附近的巷道滯后出現(xiàn)圍巖大變形，但最終研究區(qū)域內(nèi)的頂?shù)装鍘缀跞块]合。

(2)依據(jù)巷道的破壞過程，可以將其劃分為3個階段。前2個階段，區(qū)段煤柱承受的載荷逐漸增大到最大值，在第3個階段，區(qū)段煤柱處于殘余強度階段，支承能力下降，變形嚴重，造成巷道區(qū)段煤柱側(cè)幫部大量煤體擠出，同時區(qū)段煤柱上部頂板下沉嚴重，巷道上部頂板呈傾斜狀。

(3)當20314工作面推進至超前6#測站30 m時，巷道水平方向收斂變形快速增加。當20314工作面推進至超前6#測站35 m時，巷道垂直方向收斂變形快速增加，最終導致巷道破壞。說明頂?shù)装遄冃螠笥趦蓭偷氖諗孔冃巍?/p>