上覆不規(guī)則采空區(qū)礦壓規(guī)律研究及巷道支護優(yōu)化

周立超 劉 樂 王清華

（山東安實綠色開采技術(shù)發(fā)展有限公司，山東 濟南 250031）

某煤礦一水平四采區(qū)進入了收尾階段，接替的五采區(qū)正在開拓，面臨采掘接續(xù)緊張、資源回收難度大等問題。4311 工作面北、南、西三側(cè)為斷層，東側(cè)為采空區(qū)，上覆存在不規(guī)則采空區(qū)，地質(zhì)和工程條件的復(fù)雜性造成該面回采將面臨礦壓分布復(fù)雜、應(yīng)力集中、支護困難等問題，研究該工作面的礦壓規(guī)律和巷道支護優(yōu)化是非常有必要的[1-2]。

1 工程概況

1.1 工作面位置及井上下關(guān)系

4311 工作面位于四采區(qū)西端（圖1），南側(cè)為DF40 斷層，北側(cè)為DF54 斷層，西側(cè)為ⅣF19 斷層，東側(cè)為4302 工作面（于2019 年回采完畢）。煤層均厚8.1 m，部分區(qū)域已采3.2 m（4301（1）工作面于2011 年回采完畢）。4311 工作面開采3 煤層，綜放工藝，地面標(biāo)高+34.797 m，埋深430～518 m。工作面地表受附近4301、4302、4303 工作面開采影響，已出現(xiàn)不同程度下沉。補1 孔位于工作面內(nèi)，封孔質(zhì)量合格。由于本井田松散層較厚，埋藏較深，地表水體與井下各直接含水層無水力聯(lián)系。

圖1 4311 工作面位置圖

1.2 地層

井田位于濟寧煤田含煤帶的南端，屬華北型全隱蔽地層，由老到新發(fā)育有奧陶紀(jì)馬家溝群，石炭～二疊紀(jì)月門溝群本溪組、太原組、山西組，二疊紀(jì)石盒子群，侏羅～白堊紀(jì)淄博群三臺組及第四系。

1）奧陶紀(jì)馬家溝群（O2-3M）

區(qū)內(nèi)有13 個鉆孔揭露，揭露最大厚度為75.08 m，屬八陡組。巖性主要為灰～褐灰色厚層狀石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、夾泥灰?guī)r及少量的鈣質(zhì)泥巖。巖溶較發(fā)育，為煤系下伏地層的主要含水層。

2）石炭～二疊紀(jì)月門溝群（C2P2Y）

① 本溪組（C2b）

區(qū)內(nèi)共有11 個鉆孔揭露， 地層厚度19.97～37.85 m，平均20.21 m。巖性主要為灰、灰綠、深灰、紫色黏土巖、粉砂巖及鋁鐵質(zhì)泥巖。底部常為一層灰、紫等雜色鋁鐵質(zhì)泥巖，相當(dāng)于G 層鋁土及山西式鐵礦層。為一套海陸交互相沉積，與下伏奧陶系地層假整合接觸。

② 太原組（C2P1t）

區(qū)內(nèi)共有45 個鉆孔揭露， 地層厚度152.63～189.89 m，平均171.91 m。巖性主要由灰、深灰色及灰黑色泥巖、粉砂巖、淺灰色中、細砂巖與薄層石灰?guī)r及煤層組成。富含生物化石，局部具沖蝕現(xiàn)象。含薄煤20 層，其中可采及局部可采3 層，含石灰?guī)r12 層，三、十灰穩(wěn)定且厚度大，五、六、九灰較穩(wěn)定。本組以十三灰底與本溪組分界，為本井田主要含煤地層之一，與本溪組連續(xù)沉積。

③ 山西組（P1-2s^）

區(qū)內(nèi)共有48 個鉆孔揭露， 地層厚度31.90～74.78 m，平均為59.08 m。巖性主要由淺灰、灰白、灰綠色中、細粒砂巖，深灰、灰色粉砂巖、泥巖及煤層組成。含煤3層，為井田主要的含煤地層。與太原組整合接觸。

3）二疊紀(jì)石盒子群（P2-3s^）

揭露最大殘厚158.61 m。巖性主要為黃綠、灰、紫等色泥巖、粉砂巖夾灰綠色砂巖。含B 層鋁土巖，但本區(qū)不發(fā)育，底部為一層不穩(wěn)定的厚層狀砂巖與山西組分界。屬溫?zé)釛l件下的河湖相沉積。

4）侏羅～白堊紀(jì)淄博群三臺組（J3K1s）

區(qū)內(nèi)共有47 個鉆孔揭露，最大殘留厚度341.30 m，揭露平均厚度234.74 m，因后期剝蝕，從西向東漸薄，乃至完全剝蝕。根據(jù)物性特征及巖性可分為上、下兩段。

下段：最大殘留厚度為75 m，平均40 m，不穩(wěn)定，9 線附近最厚。巖性主要為暗紫、紫紅色中、細粒砂巖及礫巖，局部夾泥巖薄層。8 線以北礫巖較發(fā)育，一般為10～50.40 m，巖石堅硬。屬干熱條件下洪積、沖積相沉積，相當(dāng)于區(qū)域地層侏羅系的第二段。與下伏地層不整合接觸。

上段：最大殘留厚度283.60 m，平均194.74 m。巖性主要為紫灰、暗紫色常夾灰及灰綠色中、細粒砂巖及礫巖透鏡體，上部含較多粉、細砂巖。砂巖多為泥質(zhì)膠結(jié)，斜交層理發(fā)育，屬沖積及湖相沉積。

5）第四系（Q）

區(qū)內(nèi)共有73 個鉆孔揭露， 地層厚度259.63～329.30 m，平均299.69 m。由東向西變厚，根據(jù)巖性及物性特征可分為三組四段，為黃褐、灰、灰綠等色黏土、黏土質(zhì)砂、砂、砂礫層，東北薄，西南厚，屬沖積、洪積及湖相沉積。

下組下段：厚度39.00～97.00 m，平均69.70 m，主要以灰白、灰綠色半固結(jié)狀黏土、鈣質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏土為主，次為灰白、淡綠色的含黏土粉細砂。

下組上段：厚度50.10～102.50 m，平均79.56 m，主要由灰綠、褐黃等色黏土、砂質(zhì)黏土和淡綠、灰白色的中、細、粗砂及含黏土砂礫組成。其中砂礫類的厚度占55%。

中組：厚度42.30～98.80 m，平均66.26 m，系一套湖相沉積，灰綠、灰白色的黏土、鈣質(zhì)黏土地層，偶夾黏土質(zhì)粉、細砂透鏡體。本組最顯著的特征是中、上部有1～3 層碳酸鹽沉積，厚度8.10～58.30 m，平均39.26 m，部分半固結(jié)，局部固結(jié)，偶有孔洞和裂隙。

上組：厚度72.00～94.10 m，平均84.17 m。地表均為灰褐～褐黃色的黏土、膨脹性和黏性均很強。上部以褐黃色的黏土、砂質(zhì)黏土為主，夾淡黃、淺灰色的黏土質(zhì)砂、粉細砂層，以湖相沉積為主，下部以棕黃色砂質(zhì)黏土為主，次為灰黃色黏土質(zhì)砂、淺黃色的中、細砂層，屬湖相-河流相沉積。

Gain（上課出勤次數(shù)）＝I（S1，S2，S3，S4）-E（上課出勤次數(shù)）＝1·972048-1·479893＝0·492155

1.3 煤層頂?shù)装迩闆r

直接頂板為灰-灰黑色砂質(zhì)泥巖，厚約1.0 m；基本頂為深灰色粉砂巖，厚約3.0 m，粉粒結(jié)構(gòu)，水平層理。局部區(qū)域上分層開采后，現(xiàn)為再生頂板，頂板膠結(jié)不好，巖性比較破碎，為軟巖類頂板。直接底為深灰色泥巖，厚約1.2 m；基本底為淺灰色細砂巖，厚約11.0 m?；夭上锏姥孛簩拥装寰蜻M。頂?shù)装迩闆r詳見表1。

表1 工作面頂、底板情況表

1.4 地質(zhì)構(gòu)造

工作面為一向NW 傾斜的單斜構(gòu)造。根據(jù)三維物探及鄰近開采工作面巷道實際揭露情況，工作面掘進期間將揭露斷層3 條，其中DF54 斷層落差4.0～6.3 m，對軌道聯(lián)巷掘進有一定影響。DF40、ⅣF19 斷層布置在工作面外已留設(shè)斷層煤柱，對掘進影響較小。本工作面地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度中等。工作面內(nèi)無巖漿巖侵入，無沖刷帶、陷落柱等。

2 工作面礦壓特征分析

2.1 數(shù)值模型的建立

FLAC3D是一種三維快速拉格朗日分析程序，能較好地模擬地質(zhì)材料在達到強度極限或屈服極限時發(fā)生的破壞或塑性流動的力學(xué)行為，特別適用于分析漸進破壞和失穩(wěn)以及模擬大變形。由于無須形成剛度矩陣，因此，基于較小內(nèi)存空間就能夠求解大范圍的三維問題?；谏鲜鲇嬎愎δ芗安牧夏Ｐ停現(xiàn)LAC3D比較適用于地下開采的分析與設(shè)計[3]。

根據(jù)地質(zhì)資料，DF40、DF54 在4311 工作面開采范圍之外且為正斷層，ⅣF27 為已查明的逆斷層，其落差較小。由地質(zhì)資料初步判定斷層對工作面巷道掘進、回采的影響較小，因此在數(shù)值模擬過程中進行簡化，不考慮構(gòu)造及構(gòu)造應(yīng)力對掘進和回采的影響。所建立的數(shù)值模型在范圍上包含4311與4301（1）工作面的斜交部分，可以反映4311 工作面主體部分的礦壓分布特征。

模型的建立以煤礦3 煤層為原型，煤層厚度8.1 m，模型沿工作面走向方向?qū)挾?00 m，沿傾向?qū)挾?50 m，高度為150 m。數(shù)值模型見圖2 所示，以4311 工作面走向為X 方向，以工作面傾向為Y方向，以豎直向上為Z 方向。

圖2 數(shù)值模型

2.2 上覆4301（1）工作面采后礦壓特征

4311 工作面與4301（1）工作面斜交布置，因此4311 工作面回采巷道（4311 工作面軌道巷、4311 工作面運輸巷和4311 工作面開切眼）的穩(wěn)定性會受到4301（1）采空區(qū)邊界支承壓力的影響。4301（1）工作面開采后，沿煤層與直接頂交界面做剖面如圖3，得到工作面采后礦壓分布特征。

圖3 采后礦壓分布

根據(jù)圖3，開采范圍內(nèi)原巖應(yīng)力水平約12～15 MPa。4301（1）工作面為上分層開采，采后工作面?zhèn)认蛑С袎毫s25～45 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)1.6～3.0。局部范圍內(nèi)支承壓力超過60 MPa，其解釋為：所采用的數(shù)值模擬方法為有限差分法，不能完全實現(xiàn)煤壁的破裂和充分卸壓。模擬過程中煤幫存在應(yīng)變硬化現(xiàn)象，導(dǎo)致應(yīng)力集中程度超出現(xiàn)場實際情況。因此，可認為應(yīng)力值過高地區(qū)域已處于峰后卸壓區(qū)。另外，4301（1）工作面于2011 年采出，可認為其上覆巖層運動已達到穩(wěn)定狀態(tài)，工作面邊界支承壓力會有所下降。以模擬所得應(yīng)力值超出20 MPa 的范圍（包含峰后卸壓區(qū)）作為開采擾動影響區(qū)，根據(jù)模擬結(jié)果得出擾動區(qū)的范圍約30 m。因此，初步建議對距離4301（1）采空區(qū)30 m 范圍以內(nèi)的回采巷道進行加強支護，其范圍用粗實線標(biāo)注，如圖4。

圖4 巷道加強支護段（m）

2.3 4311 工作面回采期間礦壓特征

圖5 回采期間垂直應(yīng)力分布圖

根據(jù)應(yīng)力云圖的分布特征，將全工作面內(nèi)的開采擾動影響程度分為三個等級：1）低，應(yīng)力值小于20 MPa，推采期間支架位于4301（1）采空區(qū)下方；2）中，應(yīng)力值約25～55 MPa，位于4311 工作面運輸巷全段、4311 工作面開切眼全段；3）高，應(yīng)力值約35～60 MPa，局部超過60 MPa，主要為兩工作面支承壓力疊加區(qū)，位于4311 工作面軌道巷與4301（1）工作面邊界的交叉點（動態(tài)）外側(cè)、4311 工作面回采煤壁與4301（1）工作面后方邊界的交叉點（動態(tài)）外側(cè)。4311 工作面推采期間，對應(yīng)的三個壓力區(qū)域在圖6 中標(biāo)出。

圖6 應(yīng)力區(qū)分布圖（m）

圖7 為工作面回采期間塑性區(qū)分布。工作面回采煤壁同時發(fā)生剪切和拉伸屈服，工作面邊界主要發(fā)生剪切屈服，工作面底板在推采過程中同時發(fā)生剪切與拉伸屈服。4311 工作面推采過程中，運輸巷道主要受到本工作面支承壓力的擾動，擾動區(qū)幫部塑性區(qū)范圍約1.5 m；軌道巷在兩工作面斜交邊界處受到疊加支承壓力的影響，應(yīng)力疊加區(qū)塑性區(qū)范圍約1.5～3 m。

圖7 塑性區(qū)分布

以上從應(yīng)力、塑性區(qū)分布特征對巷道頂板壓力特征進行了初步分析。數(shù)值模擬結(jié)果表明，受4311工作面回采支承壓力的影響，回采巷道在不同位置、不同時間的圍巖應(yīng)力狀態(tài)有區(qū)別。因此需在掘巷、回采階段根據(jù)不同區(qū)域的應(yīng)力特點，采取分區(qū)域支護對策[4-5]。

3 巷道支護參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)前述分析結(jié)果，認為4311 工作面軌道巷不同區(qū)間的應(yīng)力分布最復(fù)雜，因此以該軌道巷為例，對其支護參數(shù)進行深入分析。軌道順槽為梯形斷面，掘進斷面面積10.65 m2，凈斷面面積9.1 m2，采用11#工字鋼架棚支護，棚距為1000 mm，選擇長3.5 m 的棚梁（棚梁最大支點間距為3.2 m）。11#工字鋼主要尺寸參數(shù)為：截面積31.72 cm2，理論質(zhì)量26.05 kg/m，截面參數(shù)為Ix867.1 cm4、Wx144.5 cm3、Iy178.2 cm4、Wy37.5 cm3，如圖8。

圖8 軌道順槽斷面圖（mm）

如圖8 所示，針對軌道巷粗實線部分加強支護段進行優(yōu)化，借鑒相鄰工作面及該礦類似工程實踐經(jīng)驗，建議在初始架棚設(shè)計的基礎(chǔ)上增加單體液壓支柱。頂板和幫部鋪設(shè)鍍鋅金屬網(wǎng)，鍍鋅金屬網(wǎng)規(guī)格為900 mm×2400 mm。金屬網(wǎng)搭接100 mm，采用10#鐵絲連接，連接間距不大于100 mm，支護模型圖如圖9。需在初始架棚支護設(shè)計的基礎(chǔ)上，將幫部塑料網(wǎng)改為金屬網(wǎng)，參數(shù)同上。另外，此區(qū)間圍巖壓力小，可根據(jù)現(xiàn)場實際情況適當(dāng)增大架棚排距。其他區(qū)間采用初始架棚支護設(shè)計。

圖9 優(yōu)化支護方案

如圖10 所示，通過塑性區(qū)分布特征對初始支護方案和優(yōu)化支護方案的效果進行對比分析。采用單體液壓支柱加強后，在4301（1）采空區(qū)邊界附近，巷道頂?shù)装逅苄詤^(qū)范圍有縮小的趨勢，說明采取加強支護措施有助于巷道圍巖屈服狀態(tài)的改善。

圖10 優(yōu)化支護方案塑性區(qū)對比

如圖11 所示，4311 工作面軌道巷的超前支護應(yīng)分段實施：

圖11 軌道巷超前支護分段區(qū)間（m）

1）4311 工作面初采段約40 m，該段處于上方采空區(qū)邊界支承壓力區(qū)范圍內(nèi)，4311 工作面推采前需對該段進行超前支護，可采用單體液壓支柱。該段推采過程中，4301（1）采空區(qū)下方巷道可不進行超前加強支護。

2）4311 工作面推采至4301（1）采空區(qū)下方，約160 m，該段屬于卸壓區(qū)，軌道巷可不采取超前加強支護措施。

3）4311 工作面推采至4301（1）采空區(qū)邊界前后方各約30 m（圖中64 m 處），軌道巷一側(cè)支承壓力達到40～45 MPa（局部60～70 MPa，可理解為噪點），集中系數(shù)達到4，建議其超前支護措施為單元支架加單體支柱，超前支護距離≥60 m。

4）在4311 工作面推采過4301（1）采空區(qū)邊界外側(cè)30 m 位置（圖中標(biāo)注30 m 處），建議軌道巷超前支護措施為單體液壓支柱，超前支護距離不小于30 m。

4 結(jié)論

通過FLAC3D數(shù)值模擬分析得出4311 工作面的礦壓分布特征，回采初始期間工作面?zhèn)认蛑С袎毫s25～45 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.6～3.0；回采期間工作面邊界支承壓力約30～60 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2～4。軌道巷加強支護方案可在原架棚支護的基礎(chǔ)上增加單體液壓支柱，頂板和幫部鋪設(shè)鍍鋅金屬網(wǎng)，鍍鋅金屬網(wǎng)規(guī)格為900 mm×2400 mm，金屬網(wǎng)搭接100 mm，采用10#鐵絲連接，連接間距不大于100 mm。超前支護方法和距離，根據(jù)應(yīng)力分布特征在不同區(qū)段采取相應(yīng)措施。