近距離煤層回采巷道過上覆采空區巷道支護研究

陳第一

（山西焦煤集團東曲礦，山西 古交 030200）

0 引 言

煤炭一直以來是我國的主要能源，對我國的經濟發展起著十分重要的作用。我國幅員遼闊，因此煤炭賦存地質條件也相當復雜，我國在上個世紀由于技術工藝的落后，大部分煤礦只開采了條件好的煤炭資源，而隨著賦存條件優異煤炭資源的開采殆盡，難采煤炭資源就成為我國現階段的主要開采部分，而近距離煤層開采在其中占很大比例[1～2]。

周楠等[3]針對近距離煤層采空區下開采采場礦壓控制問題,根據某煤礦地質條件及工作面布置方式,采用物理相似模擬與現場實測相結合的研究方法,總結了近距離煤層上煤層開采完畢后,采空區下工作面回采過程中礦壓顯現規律。張偉[4]發現在近距離煤層下行開采過程中,由于上煤層開采造成上覆巖層垮落,覆巖巖層完整性將受到破壞,采空區下煤層開采時,工作面采場覆巖將形成整體完整性較差的松散結構,具有來壓不明顯、動載系數小等特點。谷栓成[5]針對上煤層已采的下煤層工作面回采時礦壓顯現規律不同于常規工作面的現象,在原有巖層移動理論基礎上定義了承載層和主承載層的概念。

本文針對東曲礦8號煤層與9號煤層相距較近，8號煤層已經回采完畢，受8號煤采空區的影響，8號煤層底板已經受到不同程度的破壞的問題。為了保證工作面順槽在掘進及回采過程中維持穩定，保證正常的采掘接替，本文以東曲礦19303工作面為研究背景，通過采用理論分析以及數值模擬的方法提出19303工作面順槽的合理的支護方案。

圖1 工作面綜合柱狀圖

1 工作面概況

19303工作面北西為已形成的19301工作面，北東為礦界、黃臺峰村，南西為主要大巷和黃臺峰回風斜井保護煤柱，南東為已規劃的19305工作面。上方8號煤層已回采，8號～9號煤的層間距為3.5～5.5m左右。直接頂為粉砂巖和砂質泥巖，厚度為2.3～3.5m，巖性特征為灰色，上部為粉砂巖，下部為砂質泥巖,含植物碎片化石，上部夾0.3m的煤；直接頂為泥巖與砂質泥巖，厚度為3.93m，巖性特征為泥巖：深黑色，下部有一至兩層薄煤層，砂質泥巖：深灰色，含菱鐵礦結核。工作面綜合柱狀圖如圖1所示。

2 9號煤地質力學條件

1）地應力分布特征：9號煤層最大水平主應力9.47MPa，最小水平主應力 5.57MPa，垂直應力5.53MPa，在量值上屬于低值應力區。最大水平主應力方向為N30.4°W，應力場類型為最大水平主應力＞最小水平主應力＞垂直應力型應力場。相關研究表明，水平應力對巷道頂板的影響作用大于對巷道兩幫的影響，結合該工作面上方有采空區存在，更需要考慮加強對巷道頂底板的控制。

2）圍巖強度特征：在 19202工作面采用WQCZ-56型小孔徑井下巷道圍巖強度測定裝置，對煤層及頂底板進行圍巖強度原位測試，頂孔深度10m左右。結果顯示，頂板砂質泥巖抗壓強度均值為58.72MPa，粉砂巖抗壓強度均值為43.54MPa，9號煤層平均抗壓強度為28.67MPa。

3）巷道圍巖窺視：受8號煤采動影響，8號煤層底板破壞深度約為1m。9號煤的厚度在3.5m之上，且厚度均勻，局部9號煤層含有砂質泥巖夾矸，9號煤層的頂底板均以泥巖和砂質泥巖為主。由窺視結果可知，巷道頂板煤層及巖層穩定性較好。

3 回采巷道支護數值模擬研究

3.1 模型建立及模擬方案

根據東曲礦的實際開采條件，模型尺寸為長×寬×高=200m×100m×50m。模型四個側面為水平移動邊界，底部為固定邊界，模型共劃分216720個單元，232512個節點。

圖2 工作面順槽巷道數值分析三維模型

模擬方案為首先開采8號煤層，待其平衡后開挖9號煤層的順槽并進行支護運行至平衡，最后回采19303工作面，工作面開挖5m為一個循環，每個循環計算2000步，計算20個循環（工作面推進長度y=100m）之后保存回采文件。

3.2 支護參數方案

根據東曲礦的實際生產地質條件以及結合其他順槽的支護方式，提出以下兩種支護方案。

表1 順槽錨桿（索）支護參數對比方案

3.3 支護效果模擬分析

3.3.1 支護方案對比分析

運輸順槽采用方案一、二時，巷道圍巖的塑性區分布見圖3。

圖3 工作面前方順槽塑性破壞圖

如圖3所示，對比不同支護方案下順槽的塑性破壞情況可知，方案一的工作幫的局部破壞深度達3m左右，超過了錨桿的錨固范圍會造成順槽失穩破壞的現象。而方案二的塑性破壞范圍均小于錨桿的錨固范圍。因此從安全生產的角度考慮，本次研究重點分析方案二下順槽圍巖的塑性破壞、應力分布等情況。

3.3.2 8號煤采空區及區段煤柱對順槽的影響

圖4 區段煤柱下方工作面前方順槽塑性及垂直應力圖

圖5 采空區下方工作面前方順槽塑性及垂直應力圖

圖4、5為工作面分別位于煤柱以及采空區下順槽的塑性破壞及應力分布圖，由圖可知當工作面回采至采空區下方時相比于工作面回采至煤柱下方時，順槽破壞較為嚴重，但是仍在錨桿的有效錨固范圍內。采空區下方順槽煤幫的垂直應力約為30MPa，而煤柱下方為16MPa，采空區下方的垂直應力是煤柱下方的1.8倍。因此可知8號煤采空區對順槽的圍巖變形影響較大。

3.3.3 工作面回采對順槽的影響

由三采區的工作面布置情況可知，19303工作面運輸順槽只受本工作面的采動影響。因此本次數值模擬重點研究運輸順槽在工作面前方不同距離的巷道圍巖的變形情況。

1）順槽的塑性破壞情況。

在運輸順槽的頂底板及兩幫分別布置測點，監測其回采過程中巷道圍巖的變形情況，如圖6所示為距離工作面前方不同距離的塑性分布云圖。

圖6 工作面前方不同位置塑性區分布圖

圖 6（a）～（f）分別為工作面未采動時和工作面前方80m、60m、40m、20m、工作面處的巷道圍巖塑性破壞情況（右側巷道為本工作面運輸順槽）。圖（1）顯示當工作面未受采動影響時，19303工作面運輸順槽圍巖較為穩定，頂板以及兩幫的破壞深度約為0.5m左右，底板未出現破壞，破壞范圍均小于錨桿的長度，巷道較為穩定。圖2～圖5所示，隨著距工作面距離的減小，順槽的頂底板及兩幫的破壞范圍呈現增大的趨勢，但增加的幅度較小，頂底板及兩幫的破壞范圍達到了1m左右，均小于錨桿的有效范圍，順槽圍巖仍然可以保持穩定。圖6為工作面處順槽的塑性破壞圖，此處順槽的頂板破壞較為嚴重，非工作幫煤壁破壞深度為1.5m左右，但仍在錨桿的錨固范圍之內，運輸順槽處于穩定狀態。

2）順槽應力分布情況分析。

圖7 測點位于本工作面前方不同位置處垂直應力分布

圖 7（a）～（f）分別為工作面未采動時和工作面前方80m、60m、40m、20m、工作面處的巷道圍巖塑性破壞情況（右側巷道為本工作面運輸順槽）。顯示隨著距離工作面的解決順槽的垂直應力呈現對稱分布由于受到上覆8號煤層采空區的影響，沒有出現明顯的應力集中現象，順槽兩幫的垂直應力約為20MPa，且隨著工作面的推進，順槽圍巖垂直應力不斷擴散，且數值呈現逐漸增大的趨勢。

4 順槽位移情況分析

圖8為運輸順槽表面的各位移量隨測點至工作面煤壁距離變化曲線。

圖8 測點位于工作面前方不同位置時運輸順槽位移變化曲線

由圖可知，隨著距離工作面距離的減小，巷道的圍巖變形量整體上呈現增加的趨勢，且工作面前方100m到40m時，巷道圍巖的變形量雖然在增加但增加的幅度較小；隨著工作面的推進，工作面前方40m到工作面處，運輸順槽受到工作面的采動影響較為明顯，順槽的頂底板以及兩幫的移近量呈現增加的趨勢且變化的幅度較大。

5 支護效果分析

為驗證所選支護方案的合理性，在順槽內每隔30m設置一個測站，采用十字測點法對順槽的頂底板以及兩幫的變形進行監測。如圖所示為順槽圍巖變形情況。

圖9 順槽圍巖變形圖

由圖9可知，當采用方案二進行順槽支護時，0～15d順槽圍巖的變形量較大，且變形速率較大，頂底板以及兩幫的移近量分別為62mm、42mm，15d后圍巖變形趨于穩定。最終順槽的頂底板以及兩幫的移近量為65mm、45mm，順槽圍巖的變形較小，能夠保證工作面的安全生產。

6 結 論

結合理論分析以及數值模擬確定最終的順槽支護方案為頂錨桿Φ20×2400 mm，間排距為1000×900mm，幫錨桿Φ20×2400mm，幫錨桿間排距為1000×900 mm，頂板錨索Φ17.8×4500mm，間排距為“二二”布置2000×1800/mm，其他形式的加固方式為頂板采用W鋼帶+金屬網，兩幫采用W鋼護板+金屬網；通過數值模擬，確定19303工作面順槽超前支護距離為40m；通過現場順槽圍巖變形監測可知支護方案二能夠有效控制圍巖變形。