區段煤柱下回采巷道圍巖變形特征與控制技術

孟 杰

（同煤集團四臺礦，山西 大同 037003）

煤炭作為儲量豐富、成本低廉的一種工業原料，被廣泛應用于發電、冶金等行業。近年來，雖然國家進行能源結構調整，但煤炭的主體能源地位不會改變[1-2]。煤炭持續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注[3]。由于地質構造運動導致煤層間的距離存在差異性，當煤層距離較近時，上煤層開采會擾動下煤層的穩定。由于煤層開采形成的采空區或保護煤柱巖梁結構，導致采空區圍巖應力調整，產生應力升高區和降低區；若煤層間距較小，將造成下伏煤層頂板擾動破壞，巷道嚴重變形、支護體失效而誘發巷道片幫、冒頂事故，甚至溝通上覆采空區造成嚴重的漏風現象，直接影響礦井安全高效生產[4-5]。此時，常規的支護理論具有一定的局限性，因此研究區段煤柱下回采巷道圍巖變形特征與控制技術，具有一定的現實意義。

1 工程概況

四臺礦12#煤層82152 工作面北部為402 輔盤區8201 面采空區，其它區域未開拓，工作面上覆11#煤層82151 面采空區，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 工作面運輸巷，矩形斷面（寬×高=4.5 m×2.7 m）。2215 巷穿過11#煤層82151 區段保護煤柱，保護煤柱寬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，次為長石，硬質比重較大；基本頂為粉細砂巖互層結構，巖層厚度5.52～6.31 m，平均厚度5.92 m，交錯層理，細砂成份以石英為主，含云母片及植物化石，垂直內生節理發育；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，頂部為細砂巖，成份為石英長石分選較好，局部夾煤線。

2 區段煤柱下巷道圍巖穩定性分析

下工作面開采過區段煤柱時，將遇到兩種覆巖結構。一種是頂板巖層非鉸接結構，若區段煤柱覆巖處于鉸接失穩結構，則工作面將受到動載影響，易誘發巷道大變形現象。另外一種則存在著頂板鉸接結構，在工作面回采時逐漸失穩而誘發的動載礦壓現象[6]。本文主要分析頂板巖層處于鉸接結構時煤柱巷道圍巖的穩定性。工作面進煤柱、過煤柱、出煤柱覆巖結構見圖1（a）、（b）、（c）。工作面進煤柱為工作面從采空區開始進入區段煤柱到完全進入區段煤柱下方；工作面過煤柱為工作面整體在區段煤柱下方；工作面出煤柱為工作面從區段煤柱開始進入采空區到完全進入采空區下方。

圖1 區段煤柱下覆巖結構

如圖1中（a）～（c）所示，巷道頂板巖層形成鉸接結構，其穩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，其發生滑落失穩的可能性較低，但是較大的水平推力，易造成巖塊擠壓破碎，發生回轉失穩，從而引起巷道出現動載礦壓現象；回采巷道處于區段煤柱支承應力影響范圍內，隨著回采工作進行，下煤層頂板周期性破斷誘發上煤層采空區鉸接結構失穩，煤柱大規模垮落失穩，采空區失穩空間增加，在工作面回采時易出現動載礦壓；由于區段煤柱支承應力的影響，在工作出煤柱時，由于下煤層頂板巖層穩定性較差，頂板巖層結構提前破斷，周期來壓步距減小，煤柱處于失穩狀態，當工作面推進至破斷位置時，出現耦合破斷，造成強烈礦壓現象。綜上所述，在工作面出煤柱時，其回采巷道受到的影響最為嚴重，回采過程中應進行超前加強支護[6]。

3 回采巷道圍巖控制技術

巷道采用錨網索主動支護進行永久支護。在過區段煤柱時，通過縮減錨桿間排距，同時增設單體液壓支柱配合工字鋼梁提高區段煤柱下回采巷道的穩定性，具體參數如下：

1）永久支護。永久支護采用錨桿、錨索配合鋼帶進行聯合支護。錨桿直徑20 mm、長度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型鋼帶型號為4 400 mm×280 mm×4 mm，錨桿配120 mm×120 mm×10 mm的方鐵板，錨桿預緊扭矩不低于150 N·m。錨索直徑17.8 mm、長度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，錨索預緊力不低于35 MPa。

2）區段煤柱下加強支護。區段煤柱下及進區段煤柱20 m 外和出區段煤柱40m 范圍內（共計80 m），錨桿規格不變，間排距縮減為800 mm×800 mm，錨桿預緊扭矩不低于200 N·m；錨索規格不變，間排距縮減為1 200 mm×2 000 mm，每排3根，錨索預緊力不低于35 MPa；采用單體支柱鉸接頂梁加強支護，單體支柱型號為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；單體支柱設有防倒、防墜裝置，垂直于頂板架設，初撐力不低于18 MPa。

圖2給出了區段煤柱下加強支護區域巷道支護斷面圖。

圖2 加強支護區域巷道支護斷面

4 觀測結果分析

該圍巖控制技術應用于四臺礦12#煤層8215工作面運輸巷，采用十字測試法監測巷道表面變形情況，采用頂板離層儀監測頂板離層現象。

圖3中采空區下回采巷道掘進30 d內頂底板最大移近量為18 mm，兩幫最大移近量為21 mm，其中初掘5 d內巷道變形速度相對最快，該區域范圍內巷道整體變形相對較小。而區段煤柱下回采巷道掘進30 d內頂底板最大移近量為44 mm，兩幫最大移近量為53 mm，相對采空區下巷道變形增加了1 倍以上。圖4給出了巷道離層曲線圖，區段煤柱下回采巷道頂板離層為采空區下的2 倍以上，區段煤柱下回采巷道頂板離層最大為24 mm，位于巷道掘進14 d時；而采空區下回采巷道頂板離層僅為9 mm。綜上表明，采空區下巷道圍巖受支承應力擾動較小，圍巖控制效果良好，而區段煤柱下巷道受支承應力擾動較大，巷道維護相對困難，變形量相對較大。但整體看，巷道圍巖變形均較小，巷道圍巖穩定得到有效控制，表明了控制技術和參數的合理性和優越性。

圖3 巷道表面變形曲線

圖4 巷道離層曲線

5 結語

上煤層開采形成的采空區或區段煤柱巖梁結構，導致圍巖應力調整，對下伏煤層穩定性產生擾動，尤其是區段煤柱下回采巷道極易產生大變形現象。為此，分析了工作面進煤柱、過煤柱、出煤柱覆巖結構穩定性及其對回采巷道礦壓影響。基于此，采用錨網索+單體綜合支護技術控制區段煤柱下回采巷道圍巖，現場監測了采空區及區段煤柱下巷道變形和離層現象。結果表明，區段煤柱下回采巷道變形和離層均比采空區下巷道變形和離層大，整體看，巷道圍巖變形和離層均較小，證明了控制技術和參數的合理性和優越性。