近距離煤層群回采巷道破壞特征與支護穩定控制探討

武興貴

（山西離柳焦煤集團有限公司，山西 孝義 032300）

近距離煤層群在我國分布廣泛，許多礦井在近距離煤層開采中都遇到關乎礦井安全高效開采的問題[1-5]。山西離柳焦煤礦為多煤層開采，與單一煤層相比，下部煤層開采之后，處于上方的中部煤層會在一定區域內形成應力集中區域和應力降低區域，同時下部煤層的開采還會使得巖層產生較大的移動變形，下部煤層回采形成的斷裂區域或者裂隙區域會向上發展，延伸區域可能會到達中部煤層[6-12]。所以有必要針對離柳焦煤礦具體情況對回采巷道支護進行研究以便保證礦井安全高效的開采。

1 工程概況

山西離柳焦煤礦在開采完上部較厚的7煤和與7煤距離較近的8煤后，越過了處于中部的9煤，開采了下部煤層較厚的12煤。在7煤、8煤與12煤開采之后，為了延長礦井生產年限，提高資源回收率，9煤也需要進行開采。9煤位于上部煤層7煤、8煤與下部煤層12煤之間，9煤屬于中部煤層，7煤、8煤、12煤工作面全部采用垮落法處理采空區，因此9煤的開采將受到7煤、8煤和12煤開采后形成的雙重采空區影響，部分區域還存在煤層開采后形成遺留的區段煤柱，中部9煤的應力分布與圍巖破壞情況都會受到極大的影響，合理選擇中部煤層9煤回采巷道布置方式尤其重要。上部8煤層1681、1682、1683工作面已于2010年開采完畢，上部7煤層1671、1673工作面已開采完畢，下部12煤層1622工作面已于2015年開采完畢。9煤與8煤間距為1.2～10.8 m，平均間距5.6 m，與下部12煤間距31 m。1681、1682工作面間殘留有區段保護煤柱，寬度為8 m。上部8煤層1681西、1682西已采畢，上部7煤層1671西、1673西已采畢，下部12-1煤層1622西已采畢。煤層剖面示意圖如圖1。

圖1 煤層剖面示意圖

2 不同錯距回采巷道破壞特征規律分析

2.1 回采巷道布置區域應力改變率分布

對于近距離煤層群開采，在上部煤層7煤、8煤與下部煤層12煤開采后，9煤煤層的垂直應力分布如圖2。在中部煤層9煤煤層不同部位存在應力增高區與應力降低區，應力峰值可達到30 MPa。以下部煤層1622工作面兩側煤壁為邊界，錯距在-5 m～5 m（采空區外側為負，內側為正）為應力增高區，若不考慮應力變化率的影響，回采巷道只需布置在采空區內側或采空區外側煤壁5 m處即可。

圖2 煤層的垂直應力分布

由應力變化率公式處理測線應力數據，可得應力變化率曲線如圖3。圖中黑色實線是下部煤層12煤1622工作面兩側煤壁界限，黑色虛線為垂直應力改變率拐點，在煤壁邊界兩側的黑色虛線之間垂直應力不均衡程度較大，不適合布置回采巷道。從圖中可以看出，采空區內側30 m及煤壁側5 m外垂直應力變化率較低且在一定區域內趨于穩定，在上部7煤、8煤殘留煤柱。煤壁影響的區域垂直應力變化率又變得很大且不穩定。所以，根據垂直應力變化率分布的情況，中部煤層9煤回采巷道的布置應該內錯30 m或者外錯10 m。

圖3 上下煤層開采后9煤垂直應力變化率分布曲線圖

結合對垂直應力分布及垂直應力變化率的分析，以下部煤層12煤1622工作面兩側煤壁為界限，上部煤層7煤、8煤與下部煤層12煤開采后，9煤沉降位移不會對回采巷道布置產生較大影響，以1622工作面兩側煤壁為界限，煤壁側0～25 m和采空區10～20 m范圍內是裂隙富集區域，所以結合對裂隙、應力的綜合考慮，中部煤層9煤回采巷道應該外錯25 m或者內錯30 m布置。

2.2 不同錯距回采巷道破壞特征及圍巖變形量

通過在巷道頂底板巖層及兩幫煤層中心內設置監測點，用來觀測巷道開挖前后的頂板下沉量、底板鼓起量及兩幫的移近量，如圖4。上部煤層7煤、8煤與下部煤層12煤開采穩定后，在中部煤層9煤不同位置處開挖回采巷道。內錯式布置即在1622采空區上方布置回采巷道，其頂底板移近量要小于外錯式布置，外錯式布置巷道時，頂底板移近量隨著錯距的減小而增大。當巷道外錯5 m布置在下部煤層12煤實體煤區域上方時，回采巷道處于裂隙富集區與應力變化率較高的區域，巷道頂底板移近量可達到435 mm；當巷道處于重疊式布置時，回采巷道布置位置處于高應力與應力變化率較高的疊加區域，回采巷道頂底板移近量達到461 mm。當巷道由應力增高區進入應力降低區域后，巷道變形量顯著減小，但是由于處于應力變化率較高的區域，頂底板仍會發生變形。當回采巷道布置位置再次進入裂隙富集區域后，頂底板移近量又會變大。當回采巷道布置在下部煤層12煤1622工作面采空區內30 m時，回采巷道的位置處于低應力區域且不受裂隙富集區的影響，回采巷道可以基本維持穩定狀態。

圖4 巷道圍巖變形量

綜上所述，回采巷道的圍巖變形量隨著從原巖應力區過渡到應力增高區再過渡到應力降低區，變形量依次經歷了先增大后減小的變化。巷道圍巖變形量最大的區域出現在應力增高區與強應力改變區，同時裂隙富集區域也會對巷道變形產生影響。在實際工程中，即使巷道布置在低應力區域，也會由于巷道圍巖裂隙發育多，圍巖破碎，增加巷道的施工與支護難度。

2.3 煤層回采巷道變形破壞特征及原因分析

煤礦最深開采水平為-850 m，較高的地應力與動壓的雙重影響會使得巷道圍巖變形量較大。如圖5，同一煤層開采時，相鄰工作面會對巷道產生動壓影響，上部煤層開采時也會對下部巷道產生動壓影響。雖然已經將9煤回采巷道布置在9煤的低應力、低應力改變率及裂隙發育較少的區域，支護容易，但是由于上部煤層與下部煤層開采后對層間巖層的影響，在本煤層開采時回采巷道的礦壓顯現依舊強烈，在多因素的影響下巷道會出現頂板維護困難、兩幫移近量大及底鼓現象嚴重等現象。

圖5 回采巷道的變形破壞

3 煤層回采巷道支護設計優化方案

3.1 優化支護方案

錨索是由鋼鉸線組成的柔性支護材料，錨索與錨桿相比，可以發生一定程度的彎曲且長度不會受到所處空間的制約。由于錨索自身具有較強承受載荷的能力，在礦井支護中一般都會將錨桿與錨索配套使用。但是錨索的使用受到價格的制約，錨索位置的選擇尤其重要，錨索布置位置合理可以對頂板和底板控制起到關鍵作用。如圖6，具體優化支護方案為：錨桿預緊力55 kN，錨桿錨固劑選擇的是樹脂藥卷，采用鐵質托盤與木質托盤組合的方式與錨桿配套使用，木質托盤長150 mm、寬150 mm、厚30 mm，鐵質托盤長120 mm、寬120 mm、厚10 mm。底角傾斜錨桿選擇的是直徑34 mm、長度2000 mm的無縫鋼管，排距為800 mm，水平夾角為15°，配套使用金屬網。

圖6 回采巷道支護方案

3.2 變形控制監測

在臨近采空區掘巷后，煤體原始應力狀態受到破壞。在成巷的前10 d內，巷道頂底板收斂速率最大達到5.3 mm/d，兩幫收斂速率最大達到4.1 mm/d。隨著巷道圍巖應力逐漸平衡，巷道收斂速度逐漸衰減，表現為觀測的18～28 d內，大巷變形逐漸趨于緩和，巷道收斂速率變化較為平緩，巷道表面移近量近似直線增長。巷道頂底板位移曲線和兩幫移近量曲線均在監測28 d后逐漸變平，表現為巷道收斂速率逐漸降低。監測36 d后，巷道頂底板收斂速率和兩幫收斂速率都不超過1 mm/d，巷道圍巖接近于平衡狀態。整體來看，使用中空注漿錨桿索支護后，巷道圍巖收斂率較小。

4 結論

本文通過分析回采巷道實際變形破壞情況及原有的支護方案，提出了支護設計優化方案，通過在不同位置處布置錨桿錨索及將錨桿、錨索、無縫鋼管和金屬網配套使用對回采巷道的頂底板及兩幫起到有效的控制。該支護方式可以在一定程度上改善巷道周圍應力狀態，提升圍巖強度。