近距離煤層迎采動工作面沿空掘巷支護技術

付書俊，吳 樂，何 杰

(1.陽泉煤業(集團)有限責任公司，山西 陽泉 045000；2.天地科技股份有限公司 開采設計事業部，北京 100013)

陽煤集團孫家溝煤礦由于工作面布置不合理等原因，造成該礦井出現大量近距離煤層群聯合開采情況，下層煤回采巷道易受上層煤采掘及遺留煤柱強烈動壓影響[1-3]，同時由于采掘銜接緊張，部分工作面出現巷道掘進期間相鄰工作面正在回采的現象，即迎采動工作面沿空掘巷[4，5]。因此在上層煤采動及相鄰工作面采動雙重影響下，巷道頂板及兩幫極易出現局部或大面積變形破壞，礦方投入了大量的人力和物力進行巷道返修，影響了巷道的正常使用，巷道支護和維護成本居高不下[6]。因此需根據礦井具體生產地質條件，制定相應的支護方案，研究其礦壓顯現規律，從而為該礦后續巷道布置及采掘銜接提供依據。

1 工程概況

孫家溝煤礦位于山西省忻州市保德縣境內，開采標高為1100～580m，主采11#與13#煤，生產規模為120萬t/a，其中13#煤煤厚最大15.45m，最小7.35m，平均13.05m。煤層結構復雜，含夾矸1～4層，夾矸厚度多數在0.30～0.50m之間，巖性為泥巖或炭質泥巖，頂板底板均為泥巖或砂質泥巖。本文研究對象為13313工作面，其北部為原同保煤礦準備巷，南部為13#煤北回風巷，距工作面終采線200m，西部為待布置的下區段工作面，東部為正在回采中的上區段13311工作面(煤柱寬為25m)，工作面布置如圖1所示，因此，13313工作面回風巷為迎采動工作面沿空掘巷巷道。同時，13313工作面上方是2016年底回采結束的11107工作面采空區，二者空間位置近乎重疊，垂直距離約17m，13313工作面回風巷與上層煤遺留煤柱水平距離約為35m，因此，13313工作面回風巷同時受到上層煤遺留煤柱作用，近距離煤層空間位置關系如圖2所示。地質力學參數測試顯示，13#煤層最大水平主應力為16.65MPa，最小水平主應力為9.15MPa，垂直應力為5.58MPa，為最大水平主應力主導型應力場。

圖2 近距離煤層空間位置關系示意圖

13313工作面進風巷及回風巷均沿底板掘進，13313工作面回風巷頂板鉆孔窺視圖如圖3所示，根據圖3可以看出，頂板巖性較為完整，淺部存在少量裂隙，16.5m處出現塌孔，圍巖極破碎，即進入采空區。進風巷左幫上方即為11107工作面遺留30m煤柱，回風巷與上部煤層遺留煤柱水平距離約為35m。

圖3 13313工作面回風巷頂板鉆孔窺視圖(m)

2 13313工作面回風巷穩定性分析

2.1 上層煤遺留煤柱影響

結合工作面實際地質生產條件及地質力學參數測試結果，采用FLAC3D建立數值計算模型，尺寸為180m×2m×50m，劃分為74880個單元和95665個節點，在建模過程中嚴格按照13313工作面及巷道空間位置，數值計算模型如圖4所示。三維模型的邊界條件取為：上部為應力邊界條件，四周水平位移固定，模型底部垂直位移固定，且按照實際地應力條件施加模型初始應力，模型參數見表1。數值計算模擬工作面回采順序同實際生產一致。

圖4 數值計算模型示意圖

巖性密度/(kg·m-3)體積模量/GPa剪切模量/GPa內聚力/MPa抗拉強度/MPa內摩擦角/(°)泥巖21003.11.82.50.3728石灰巖27004.534.083.20.7030砂質泥巖23204.03.62.80.52811#煤14001.040.821.80.252413#煤14001.040.821.80.2524

模擬分析11#煤層工作面回采后遺留煤柱下方垂直應力分布曲線如圖5所示。遺留煤柱下方存在應力增高區，其影響范圍水平分布約為30m，小于13313工作面回風巷與上層煤煤柱水平錯距，因此13313工作面回風巷所處區域垂直應力值基本為原巖應力區，受遺留煤柱作用較小。同時說明上層煤遺留煤柱作用水平范圍即為30m，因此下一工作面布置應盡量將回采巷道布置于該范圍外。

圖5 11#煤遺留煤柱下方垂直應力分布曲線

2.2 階段Ⅰ：上區段工作面超前采動影響階段

階段Ⅰ(如圖1所示)，該階段巷道兩側均為實體煤，圍巖易形成較為穩定結構，根據上文可知，上層煤遺留煤柱影響作用有限，同時結合孫家溝礦之前工作面回采經驗可知，上區段13311工作面超前支承壓力作用對巷道影響較小，巷道變形較小。

2.3 階段Ⅱ：上區段工作面滯后采動影響階段

階段Ⅱ(如圖1所示)，該階段自回風巷與上區段工作面水平相會后，隨著兩者相向而行，相距較遠，一段時期內，由于上區段工作面直接頂隨回采出現規則及不規則垮落，頂板結構劇烈調整，關鍵層與直接頂出現離層，關鍵層巖塊出現彎曲下沉現象，對煤柱上方及巷道上方造成強烈的變形壓力，巷道頂板隨之下沉，頂板與煤柱幫交界處煤體易破碎掉落，由于煤柱較寬，中心部位保持完整性，因此上覆頂板壓力經過煤柱延深至底板，在巷道開掘后應力釋放，極易造成巷道底板鼓起，巷道整體表現為非對稱大變形，該階段巷道穩定性最差，需要加強支護。

2.4 階段Ⅲ：沿空掘巷階段

階段Ⅲ(如圖1所示)，該階段是指在上區段工作面回采引起的頂板垮落較為完全后，對上覆巖層有支撐作用，關鍵層巖塊不再彎曲下沉，側向支承壓力明顯較上一階段減小，巷道掘進受頂板活動作用較小，同時由于煤柱尺寸較大，巷道處于上區段采空區側向支承壓力穩定區甚至減小區[7]，因此，該階段巷道穩定性較好，巷道易于控制。

3 支護方案

根據13313回風巷不同階段應力環境的特殊性，制定相應的支護方案[8]。由于受到上層煤遺留煤柱作用，同時頂板為13m厚煤層，因此頂板穩定性尤為重要。研究表明[9，10]，對于煤層碎脹頂板，采用高預應力短錨索支護方式，頂板錨索支護形成的承載結構遠大于錨桿支護，同錨桿支護相比，能大幅減小巷道變形量，巷道無需返修即可滿足生產使用。基于此，確定采用頂板高預應力短錨索支護方案[11]，改變孫家溝煤礦原12m長錨索懸吊于穩定巖層的支護理念。

3.1 階段Ⅰ、階段Ⅱ支護方案

隨著上區段工作面回采與回風巷掘進，階段Ⅰ逐漸演變為階段Ⅱ，因此階段Ⅰ與階段Ⅱ支護方案相同。頂板采用1×19股高強5.2m短錨索與8.2m長錨索結合支護，其中短錨索配W錨索托板與W鋼帶組合構件，長錨索配鋼筋鋼帶構件，錨固劑規格為MSCK2335與MSK23120各1支組合，要求張拉力不低于300kN，損失后不低于180kN[12]；巷幫采用HRB500高強度錨桿，錨固劑采用1支MSCKa2360，要求預緊力不低于400N·m。階段Ⅰ、階段Ⅱ支護斷面圖如圖6所示。

圖6 階段Ⅰ、階段Ⅱ支護平面圖(mm)

3.2 階段Ⅲ支護方案

階段Ⅲ較階段Ⅱ而言巷道易于控制，且煤柱更為穩定，因此支護方案基本同階段Ⅱ，不同之處在于煤柱幫錨索排距由1m增大至2m。

4 支護效果及礦壓監測

回風巷掘進期間安裝一組礦壓監測測站，監測上述各階段錨桿錨索受力及煤柱應力變化。監測所得受力變化曲線如圖7、圖8所示。圖中，橫坐標數值為負時，表示測站位于上區段回采工作面前方，反之位于后方，頂板錨索自工作面側計數1～5，錨桿從上至下依次計數。由圖7及圖8分析可知：

圖7 不同巷道部位錨桿及錨索受力變化曲線

圖8 距巷道圍巖不同位置處錨桿及錨索受力變化曲線

1)階段Ⅰ：頂板錨索及煤柱幫錨索受力變化較小，局部存在受力波動，實體煤幫錨桿與煤柱幫錨桿呈現平穩增大趨勢，其中，測站超前于工作面70m范圍內煤柱幫錨桿受力增速加大；煤柱應力在該階段整體較為平穩，超前60m范圍內4m、10m、12m位置煤柱應力有較明顯波動。因此可推知工作面超前影響范圍為60m，且上區段遺留煤柱造成的應力擾動較小。

2)階段Ⅱ：在測站處于上區段回采工作面后方時，對于頂板錨索，2#錨索受力有所減小，其余均不斷增大，煤柱幫錨桿及錨索受力呈不斷增大趨勢，實體煤幫中部錨桿受力先增大后減小，底部錨桿受力不斷增大。其中，頂板錨索及巷幫錨桿受力在滯后工作面410m后趨于穩定，煤柱幫錨索受力在滯后工作面360m后趨于穩定。對于煤柱應力變化，在滯后工作面后，4m位置深度應力急劇增大，最大增幅達到19MPa，6～12m位置應力緩慢增大，距巷幫較淺部2m位置在滯后工作面40m后即發生塑性破壞，應力值不增反降；在滯后工作面396m后，煤柱應力變化出現拐點，4m及6m深度位置應力開始減小，8～12m位置應力基本平穩。綜上可知，階段Ⅱ對應范圍為工作面后方0～410m范圍。

3)階段Ⅲ：該階段錨桿、錨索受力及煤柱應力均呈現較為穩定的趨勢，因此，該階段范圍為工作面后方410m外，且此階段煤柱塑性區范圍從2m擴展至6m深度，可知，監測全過程中，煤柱靠近回風巷側最大破壞深度達到6m，而上區段工作面側破壞深度小于13m。煤柱中心大部分區域保持穩定，因此，可考慮在后期生產中適當減小煤柱尺寸。

4)監測全過程中未出現錨桿及錨索破斷現象。結合巷道圍巖觀測可知，回風巷在超前于工作面期間巷道變形很小，進一步說明上層煤遺留煤柱對該巷道作用影響較小；而當巷道進入工作面后方480m范圍內，巷道底鼓較為嚴重，最大處達到820mm，兩幫變形較小，頂板有破碎煤渣掉落，尤其頂板與煤柱幫銜接處較為明顯，480m后巷道底鼓較小，說明巷道變形與錨桿錨索及煤柱受力變化趨勢總體一致，但巷道變形受影響距離更遠。同時另一方面說明針對性的支護措施能夠很好的控制巷道變形，但由于底板無支護措施，后期生產中需進行少量起底工作。

5 結 論

1)孫家溝煤礦13313工作面回風巷作為近距離煤層下層煤回采巷道，掘進期間受到上層煤遺留煤柱作用、上區段工作面超前支承壓力作用、滯后支承壓力作用及采空區側向支承壓力多次擾動，應力環境復雜。

2)研究表明，由于上層煤遺留煤柱距回風巷水平距離較遠，其影響作用很小。13313工作面回風巷受上區段工作面超前支承壓力影響范圍約為60m，工作面后方影響范圍約為410m，之后進入較為穩定的沿空掘巷階段。整個監測階段巷道變形主要表現為底鼓，且集中在工作面后方。煤柱回風巷側最大破壞深度為6m，工作面側破壞深度小于13m，煤柱中心大部分區域仍保持穩定，因此可考慮下一工作面布置時適當減小煤柱尺寸。

3)提出的針對性階段支護方案能夠較好地解決類似迎采動巷道的控制難題，保證采掘正常銜接與安全回采。