區(qū)段煤柱下回采巷道圍巖變形特征與控制技術(shù)

孟 杰

（同煤集團(tuán)四臺(tái)礦，山西 大同 037003）

煤炭作為儲(chǔ)量豐富、成本低廉的一種工業(yè)原料，被廣泛應(yīng)用于發(fā)電、冶金等行業(yè)。近年來，雖然國家進(jìn)行能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，但煤炭的主體能源地位不會(huì)改變[1-2]。煤炭持續(xù)開采造成條件賦存較好的資源逐漸開采殆盡，近距離煤層開采逐漸得到關(guān)注[3]。由于地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致煤層間的距離存在差異性，當(dāng)煤層距離較近時(shí)，上煤層開采會(huì)擾動(dòng)下煤層的穩(wěn)定。由于煤層開采形成的采空區(qū)或保護(hù)煤柱巖梁結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致采空區(qū)圍巖應(yīng)力調(diào)整，產(chǎn)生應(yīng)力升高區(qū)和降低區(qū)；若煤層間距較小，將造成下伏煤層頂板擾動(dòng)破壞，巷道嚴(yán)重變形、支護(hù)體失效而誘發(fā)巷道片幫、冒頂事故，甚至溝通上覆采空區(qū)造成嚴(yán)重的漏風(fēng)現(xiàn)象，直接影響礦井安全高效生產(chǎn)[4-5]。此時(shí)，常規(guī)的支護(hù)理論具有一定的局限性，因此研究區(qū)段煤柱下回采巷道圍巖變形特征與控制技術(shù)，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

四臺(tái)礦12#煤層82152 工作面北部為402 輔盤區(qū)8201 面采空區(qū)，其它區(qū)域未開拓，工作面上覆11#煤層82151 面采空區(qū)，與11#煤層間距最小10.5 m，最大14.2 m，平均12.6 m。2215 巷為82152 工作面運(yùn)輸巷，矩形斷面（寬×高=4.5 m×2.7 m）。2215 巷穿過11#煤層82151 區(qū)段保護(hù)煤柱，保護(hù)煤柱寬20 m。12#煤層直接頂為粗砂巖，巖層厚度3.5～10.35 m，平均厚度6.91 m，灰色成份以石英為主，次為長(zhǎng)石，硬質(zhì)比重較大；基本頂為粉細(xì)砂巖互層結(jié)構(gòu)，巖層厚度5.52～6.31 m，平均厚度5.92 m，交錯(cuò)層理，細(xì)砂成份以石英為主，含云母片及植物化石，垂直內(nèi)生節(jié)理發(fā)育；直接底為粗砂巖，巖層厚度0.55～2.05 m，平均厚度1.30 m，灰白色，頂部為細(xì)砂巖，成份為石英長(zhǎng)石分選較好，局部夾煤線。

2 區(qū)段煤柱下巷道圍巖穩(wěn)定性分析

下工作面開采過區(qū)段煤柱時(shí)，將遇到兩種覆巖結(jié)構(gòu)。一種是頂板巖層非鉸接結(jié)構(gòu)，若區(qū)段煤柱覆巖處于鉸接失穩(wěn)結(jié)構(gòu)，則工作面將受到動(dòng)載影響，易誘發(fā)巷道大變形現(xiàn)象。另外一種則存在著頂板鉸接結(jié)構(gòu)，在工作面回采時(shí)逐漸失穩(wěn)而誘發(fā)的動(dòng)載礦壓現(xiàn)象[6]。本文主要分析頂板巖層處于鉸接結(jié)構(gòu)時(shí)煤柱巷道圍巖的穩(wěn)定性。工作面進(jìn)煤柱、過煤柱、出煤柱覆巖結(jié)構(gòu)見圖1（a）、（b）、（c）。工作面進(jìn)煤柱為工作面從采空區(qū)開始進(jìn)入?yún)^(qū)段煤柱到完全進(jìn)入?yún)^(qū)段煤柱下方；工作面過煤柱為工作面整體在區(qū)段煤柱下方；工作面出煤柱為工作面從區(qū)段煤柱開始進(jìn)入采空區(qū)到完全進(jìn)入采空區(qū)下方。

圖1 區(qū)段煤柱下覆巖結(jié)構(gòu)

如圖1中（a）～（c）所示，巷道頂板巖層形成鉸接結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定程度主要受斷裂巖塊和巖層間存在的剪切力影響，若煤柱上方未斷裂頂板巖層（A塊）越大，斷裂巖塊（B塊）受到的水平推力越大，其發(fā)生滑落失穩(wěn)的可能性較低，但是較大的水平推力，易造成巖塊擠壓破碎，發(fā)生回轉(zhuǎn)失穩(wěn)，從而引起巷道出現(xiàn)動(dòng)載礦壓現(xiàn)象；回采巷道處于區(qū)段煤柱支承應(yīng)力影響范圍內(nèi)，隨著回采工作進(jìn)行，下煤層頂板周期性破斷誘發(fā)上煤層采空區(qū)鉸接結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，煤柱大規(guī)?？迓涫Х€(wěn)，采空區(qū)失穩(wěn)空間增加，在工作面回采時(shí)易出現(xiàn)動(dòng)載礦壓；由于區(qū)段煤柱支承應(yīng)力的影響，在工作出煤柱時(shí)，由于下煤層頂板巖層穩(wěn)定性較差，頂板巖層結(jié)構(gòu)提前破斷，周期來壓步距減小，煤柱處于失穩(wěn)狀態(tài)，當(dāng)工作面推進(jìn)至破斷位置時(shí)，出現(xiàn)耦合破斷，造成強(qiáng)烈礦壓現(xiàn)象。綜上所述，在工作面出煤柱時(shí)，其回采巷道受到的影響最為嚴(yán)重，回采過程中應(yīng)進(jìn)行超前加強(qiáng)支護(hù)[6]。

3 回采巷道圍巖控制技術(shù)

巷道采用錨網(wǎng)索主動(dòng)支護(hù)進(jìn)行永久支護(hù)。在過區(qū)段煤柱時(shí)，通過縮減錨桿間排距，同時(shí)增設(shè)單體液壓支柱配合工字鋼梁提高區(qū)段煤柱下回采巷道的穩(wěn)定性，具體參數(shù)如下：

1）永久支護(hù)。永久支護(hù)采用錨桿、錨索配合鋼帶進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)。錨桿直徑20 mm、長(zhǎng)度2.0 m，間排距為1 000 mm×1 000 mm，每排5 根；錨桿采用W型鋼帶連接，W型鋼帶型號(hào)為4 400 mm×280 mm×4 mm，錨桿配120 mm×120 mm×10 mm的方鐵板，錨桿預(yù)緊扭矩不低于150 N·m。錨索直徑17.8 mm、長(zhǎng)度8.3 m，間排距為1 500 mm×3 000 mm，每排2 根；錨索配250 mm×250 mm×16 mm的方鐵板和專用的鎖具，錨索預(yù)緊力不低于35 MPa。

2）區(qū)段煤柱下加強(qiáng)支護(hù)。區(qū)段煤柱下及進(jìn)區(qū)段煤柱20 m 外和出區(qū)段煤柱40m 范圍內(nèi)（共計(jì)80 m），錨桿規(guī)格不變，間排距縮減為800 mm×800 mm，錨桿預(yù)緊扭矩不低于200 N·m；錨索規(guī)格不變，間排距縮減為1 200 mm×2 000 mm，每排3根，錨索預(yù)緊力不低于35 MPa；采用單體支柱鉸接頂梁加強(qiáng)支護(hù)，單體支柱型號(hào)為DW31.5-200/100，頂梁采用DFB1000（2100 和2800）/300C型花邊梁，一梁三柱，柱距800 mm，間距按照巷道具體條件布置；單體支柱設(shè)有防倒、防墜裝置，垂直于頂板架設(shè)，初撐力不低于18 MPa。

圖2給出了區(qū)段煤柱下加強(qiáng)支護(hù)區(qū)域巷道支護(hù)斷面圖。

圖2 加強(qiáng)支護(hù)區(qū)域巷道支護(hù)斷面

4 觀測(cè)結(jié)果分析

該圍巖控制技術(shù)應(yīng)用于四臺(tái)礦12#煤層8215工作面運(yùn)輸巷，采用十字測(cè)試法監(jiān)測(cè)巷道表面變形情況，采用頂板離層儀監(jiān)測(cè)頂板離層現(xiàn)象。

圖3中采空區(qū)下回采巷道掘進(jìn)30 d內(nèi)頂?shù)装遄畲笠平繛?8 mm，兩幫最大移近量為21 mm，其中初掘5 d內(nèi)巷道變形速度相對(duì)最快，該區(qū)域范圍內(nèi)巷道整體變形相對(duì)較小。而區(qū)段煤柱下回采巷道掘進(jìn)30 d內(nèi)頂?shù)装遄畲笠平繛?4 mm，兩幫最大移近量為53 mm，相對(duì)采空區(qū)下巷道變形增加了1 倍以上。圖4給出了巷道離層曲線圖，區(qū)段煤柱下回采巷道頂板離層為采空區(qū)下的2 倍以上，區(qū)段煤柱下回采巷道頂板離層最大為24 mm，位于巷道掘進(jìn)14 d時(shí)；而采空區(qū)下回采巷道頂板離層僅為9 mm。綜上表明，采空區(qū)下巷道圍巖受支承應(yīng)力擾動(dòng)較小，圍巖控制效果良好，而區(qū)段煤柱下巷道受支承應(yīng)力擾動(dòng)較大，巷道維護(hù)相對(duì)困難，變形量相對(duì)較大。但整體看，巷道圍巖變形均較小，巷道圍巖穩(wěn)定得到有效控制，表明了控制技術(shù)和參數(shù)的合理性和優(yōu)越性。

圖3 巷道表面變形曲線

圖4 巷道離層曲線

5 結(jié)語

上煤層開采形成的采空區(qū)或區(qū)段煤柱巖梁結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致圍巖應(yīng)力調(diào)整，對(duì)下伏煤層穩(wěn)定性產(chǎn)生擾動(dòng)，尤其是區(qū)段煤柱下回采巷道極易產(chǎn)生大變形現(xiàn)象。為此，分析了工作面進(jìn)煤柱、過煤柱、出煤柱覆巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及其對(duì)回采巷道礦壓影響?；诖耍捎缅^網(wǎng)索+單體綜合支護(hù)技術(shù)控制區(qū)段煤柱下回采巷道圍巖，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)了采空區(qū)及區(qū)段煤柱下巷道變形和離層現(xiàn)象。結(jié)果表明，區(qū)段煤柱下回采巷道變形和離層均比采空區(qū)下巷道變形和離層大，整體看，巷道圍巖變形和離層均較小，證明了控制技術(shù)和參數(shù)的合理性和優(yōu)越性。