近距離特厚煤層受上層煤柱影響下的掘巷礦壓顯現機理及防治技術研究

閆鵬飛,李 猛,陳 雷

(中煤能源集團 中煤大同能源有限責任公司 塔山煤礦,山西 大同 037001)

隨著我國煤炭開采強度的增大,淺部及條件簡單的資源逐步減少,煤礦開采逐漸轉向深部和復雜條件的煤層[1],由此產生的技術難題也愈來愈多,近距離煤層群開采便是其中之一。近距離煤層群開采過程中,先開采煤層形成的采動應力必然會對后開采煤層造成損傷,表現出圍巖強度降低、穩定性變差、巷道變形大、難于維護等特點[2-3]。此外,與單一煤層開采不同,上煤層開采時的垮落矸石和遺留煤柱造成應力傳遞的不均勻性將使得下位煤層受力狀態更加復雜,新的礦壓異常現象和支護難題不斷涌現[4-7]。這些問題對煤礦的安全生產造成了巨大的安全隱患?，F有研究成果提出了堅硬厚頂板預裂爆破及其他卸壓措施實現了煤礦的安全開采[8-10]。本文以塔山煤礦30501膠帶順槽為研究對象,針對膠帶順槽掘進過程中的異常礦壓顯現問題,開展礦壓顯現機理及防治技術研究,對塔山煤礦從根本上避免后續工作面出現類似問題，以及提高異常礦壓防治能力有著重要的意義。

1 工程概況

1.1 工作面概況

塔山煤礦位于大同煤田中東邊緣,地處大同市南郊區泉鄉上窩寨村北。主要分布煤層包括2#、5(3-5)#、6#、7#、8#、9#煤層。其中2#煤層采煤方法為一次采全高走向長壁綜合機械化采煤法,3-5#煤層與2#煤層間距平均為4.35 m,屬于典型的近距離煤層群開采。首采煤層為2#煤層,平均厚度為3 m,已于2015年全部回采完畢(10201工作面于2009年回采完畢，10203工作面于2010年回采完畢)。3-5#煤層采用綜采放頂煤開采,頂板管理方式為全部垮落法。

30501工作面為3-5#煤層首采面,位于10201采空區下方,其與2#煤層空間關系如圖1所示。該工作面傾斜長度為160 m,走向長度為1 832 m,上與2#煤層間距為4.35 m。由于2#煤層為留煤柱開采,煤柱寬度為20 m或30 m不等,30501工作面膠帶順槽與上覆10201和10203采空區間遺留煤柱的水平距離為10 m,回風順槽與上覆采空區遺留煤柱水平間隔為40 m左右。該工作面煤層及其頂底板情況如表1所示。其中30501膠帶順槽布置在距遺留煤柱水平距離10 m,受上覆煤層近距離遺留煤柱影響,30501膠帶順槽掘進期間煤炮不斷,異常礦壓顯現強烈。

(a)平面示意圖

表1 3-5#煤層頂底板巖性及厚度

1.2 礦壓顯現特征

30501膠帶順槽沿煤層底板掘進,其斷面為矩形,掘進寬度5 700 mm,高度3 700 mm。30501膠帶順槽在掘進期間頂板來壓劇烈,煤炮頻繁發生,造成順槽支護困難,工作強度加大,施工進度緩慢,工人安全受到威脅。礦壓異常顯現導致工作面順槽局部冒頂,巷幫煤體鼓出,錨索有拉斷出現。膠帶順槽掘進期間礦壓異常顯現具體表現為:顯現范圍隨掘進工作面向前推移,始終集中在迎頭后方30 m內,30 m外工作面順槽支護保持良好;煤炮來源集中在遺留煤柱側,10201采空區側顯現較少;迎頭稍一擾動,異常礦壓即開始顯現;回風順槽無顯現,膠帶順槽顯現劇烈。工作面順槽破壞情況如圖2所示。

(a)來壓導致頂板下沉

2 異常礦壓顯現機理分析

2.1 遺留煤柱的影響

為了探究膠帶順槽異常礦壓顯現原因,采用鉆屑法對工作面兩順槽煤體內靠近煤柱側的應力進行觀測。鉆屑量與煤體應力具有良好的對應關系[11],是一種反映煤體應力狀態比較可靠的監測方法。鉆屑量監測孔選在30501膠帶順槽礦壓顯現最劇烈的位置,在其靠近煤柱側幫上分別布置孔徑為42 mm,孔間距為1 m的3個監測點進行鉆屑量監測。同時為了對比,在工作面回風順槽距切眼相同距離位置,選取3個鉆孔對靠近煤柱側幫上進行監測,得到的典型鉆屑量分布曲線如圖3所示。

圖3 30501工作面順槽鉆屑量分布曲線

從圖中可以看出,受掘進擾動影響,當距巷幫10 m時,即遺留煤柱邊緣下方,膠帶順槽鉆屑量達到最大值,遠大于前9 m范圍內鉆屑量。在現場操作過程中,當鉆到煤柱下方時出現卡鉆等現象,說明在遺留煤柱下方存在較大的應力集中并對膠帶順槽產生較大影響。對比回風順槽鉆屑量發現,鉆屑量峰值出現在距巷幫9 m位置,為2.45 kg,同時前8 m鉆屑量也遠低于膠帶順槽側。比較兩回采工作面順槽監測結果可知,膠帶順槽鉆屑量整體高于回風順槽。

膠帶順槽和回風順槽與上覆2#煤層遺留煤柱的不同水平間距導致遺留煤柱對下部3-5#煤層的應力分布產生很大的差異,結合鉆屑量實測結果,獲得了遺留煤柱下方煤體內部的應力分布規律,如圖4所示。煤柱下方應力達到峰值,隨著與煤柱距離的增大,應力值逐漸降低,當與煤柱水平距離足夠遠時,下部煤層將不再受煤柱影響,膠帶順槽附近應力將降為最小值,且保持不變。根據煤體應力分布曲線,可以沿垂直于順槽走向方向將3-5#煤層受煤柱影響區域劃分為不同的應力分區,即增壓區和減壓區。其中增壓區靠近煤柱,受煤柱影響較大,區域內煤體承受較高的支承壓力;減壓區距離煤柱較遠,遺留煤柱影響減弱,同時區域上方為采區,應力值較小。

圖4 2#煤層遺留煤柱影響下3-5#煤層應力分布示意圖

30501膠帶順槽與煤柱水平間距較小,其位置處于煤柱影響下的增壓區內,煤體本身承受著較高的垂向應力。當該順槽開始掘進時,應力的高度集中加之掘進擾動效應,極易導致煤體破裂失穩,礦壓異常顯現。而回風順槽由于距煤柱較遠,其位置處于減壓區內,工作面順槽圍巖承受的應力值相對較低,掘進擾動的影響難以造成對工作面順槽周圍煤體的破壞,因此工作面順槽施工較安全,沒有明顯的礦壓異常顯現。

綜合分析煤柱影響區內煤體支承壓力分布規律和工作面順槽所處位置可知,由遺留煤柱引起的工作面順槽圍巖高集中應力是異常礦壓發生的基本條件,同時也是造成該問題的直接原因。

2.2 堅硬厚粉砂巖頂板的影響

由于2#煤層與3-5#煤層間距較小,遺留煤柱承載的集中應力傳遞至下煤層,造成對工作面順槽內部煤體的破壞。當煤層開采后,工作面中部覆巖斷裂垮落充填采空區,而工作面兩端頭覆巖因煤柱支撐呈鉸接懸空狀態,因而把部分載荷轉移到了煤柱,煤柱上形成的集中應力也會向下煤層傳遞產生高應力。2#煤層上方27 m位置賦存有一層厚而堅硬的粉砂巖頂板,在2#煤層開采過程中,對該堅硬頂板并未采取斷頂處理,使得煤層頂板冒落范圍有限。巖石碎脹系數取值1.3進行保守計算,冒落帶只能達到9 m,遠未及堅硬粉砂巖巖層,導致粉砂巖頂板僅發生彎曲變形,未充分垮斷,致使巖層積聚大量彈性能。

基于以上分析,可以得出30501膠帶順槽掘進期間異常礦壓顯現機制,分析簡圖如圖5所示。在擾動前,整個圍巖系統處于靜平衡狀態,當30501膠帶順槽開挖時,煤體的突然卸載引起工作面順槽頂板對上覆巖層的支承力降低,2#煤層冒落矸石及垮斷巖層隨工作面順槽頂板下沉而向下運移。上述過程將導致堅硬巖層不斷積聚能量并對2#煤層遺留煤柱進行加載,使得煤柱內承載應力σ2增大。上下煤層較小的層間距使得應力能夠很好地向下傳遞,對30501膠帶順槽內部煤體進行加載,應力σ3-5隨即升高。由于工作面順槽距離上覆2#煤層遺留煤柱較近,σ3-5將很快達到3-5#煤層的極限強度,煤體受壓積聚的彈性能釋放,煤炮隨即產生。釋放的能量同時以震動波的形式傳遞到工作面順槽,導致工作面順槽圍巖震動,破壞支護結構、移動重型設備。因此,掘進引起未垮斷堅硬厚頂板能量急劇增加,是異常礦壓顯現劇烈的主要原因之一。

圖5 30501膠帶順槽礦壓異常顯現分析圖

3 異常礦壓防治技術

3.1 30501膠帶順槽優化布置

經以上分析可知,工作面膠帶順槽異常礦壓顯現的直接原因是工作面順槽與上覆2#煤層遺留煤柱水平距離過小。因此,為了削弱遺留煤柱對工作面順槽掘進的影響,同時考慮到接續30503工作面的回采問題,可將膠帶順槽在原有的基礎上再外錯28 m,即距上覆遺留煤柱水平距離為38 m(假設30503回風順槽寬度也為5.7 m,則優化后的30501膠帶順槽與遺留煤柱距離為10 m+5.7 m+8 m+5.7 m+8 m=37.4 m)。在拐彎前后的中間位置布置接續30503工作面回采順槽,接續面順槽與30501回采順槽之間的隔離煤柱均為8 m。上述布置既可以保證外錯工作面順槽能夠遠離煤柱應力集中區域,又可以減少隔離煤柱導致的資源浪費,優化方案如圖6所示。

圖6 工作面順槽優化布置方案

在開采前半個工作面時,可以充分利用已掘工作面順槽,保證回采順利進行,同時在工作面回采時在優化工作面順槽的基礎上進行反方向掘進,保障回采時工作面順槽的安全性。同時,由于膠帶順槽不便于布置在彎曲工作面順槽內,可將兩條順槽的功能對換,即原回風順槽變為膠帶順槽,原膠帶順槽改為回風順槽,從而保證工作面的順利回采。

3.2 水力致裂卸壓措施

為解決工作面上覆煤柱的影響,采用水力致裂措施對上覆遺留煤柱進行卸壓。煤柱寬度20 m,煤柱高度3 m。鉆孔沿回風順槽布置,孔底落于3-5#煤層頂板約2.1 m處。單個鉆孔孔深57 m,水平投影長41.08 m,垂直投影長27.8 m,致裂范圍為整個30501工作面回采區域?；仫L順槽和膠帶順槽距離切眼90 m布置第 1 組鉆孔,之后每10 m施工1組鉆孔,每組1個鉆孔,鉆孔直徑50 mm,鉆孔深度57 m,仰角26°43',水平轉角0°,回風順槽共施工170組,水力致裂鉆孔布置示意圖如圖7所示。

圖7 30501工作面水力致裂上覆2#層煤柱示意圖

3.3 膠帶順槽支護對策

針對回采巷道整體礦壓顯現緩和,巷道局部發生較嚴重冒頂和頂板下沉的問題,對優化位置后的30501工作面運輸巷道正常段及特殊段進行分類支護參數設計。

結合理論計算和現場實際,設計選用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,規格為Φ22 mm×2 200 mm,間排距800 mm×800 mm;正常段選用1×7結構鋼絞線錨索,規格為Φ18.96 mm×6 300 mm,錨索間排距為1 600 mm×2 400 mm,每排2根;特殊段同樣選用1×7結構鋼絞線錨索,規格為Φ18.96 mm×6 300 mm,錨索間排距為1 600 mm×2 400 mm,每排3根,符合安全施工要求。

表2 斷面及支護參數表

4 現場工業性試驗

為了檢驗上述礦壓防治方法應用效果,對工作面順槽掘進期間變形進行了監測。在30501膠帶順槽拐彎起始段迎頭后方,每隔50 m布置一組監測點,共布置5組;在30501膠帶順槽拐彎37 m段,根據情況布置1組監測點;在30501膠帶順槽拐彎完成后,在新掘進工作面順槽布置1組監測點,布點方式采用十字法。測點布置如圖8所示。

圖8 工作面順槽變形量測點布置示意圖

從測試結果(圖9)中可以發現,工作面順槽拐彎后的收斂量明顯小于拐彎前的收斂量,且拐彎后距拐點越遠的測點,其收斂量越小,而拐彎前測點則基本相同,這說明工作面順槽拐彎前距上覆2#煤層柱距離較近,受其影響明顯。此外,工作面順槽拐彎前各測點的頂底板移近量與兩幫移近量的差值基本相同,而工作面順槽拐彎后各測點頂底板移近量與兩幫移近量的差值明顯降低,表明工作面順槽拐彎后避開了上覆采空區遺留煤柱的影響區,且對頂底板的影響減小程度大于兩幫的影響減小程度,從而使工作面順槽表面變形量趨于正常狀態。

圖9 距工作面順槽拐彎處不同距離測點的順槽表面位移量曲線

從掘進過程工作面順槽表面變形情況來看,采取的礦壓防治措施成功避開了上覆采空區遺留煤柱的影響,明顯降低了工作面順槽圍巖破碎和變形程度,確保了工作面順槽正常服務于礦井安全高效生產。

5 結論

1)塔山煤礦屬于典型的近距離煤層開采礦井,上覆遺留煤柱和堅硬頂板等因素是導致30501膠帶順槽異常礦壓顯現的直接原因。

2)針對膠帶順槽掘進過程中的異常礦壓情況提出相對應的礦壓防治措施,主要包括原有膠帶順槽優化布置、遺留煤柱水力預裂和不同地質條件下的巷道支護對策。

3)通過膠帶順槽現場工業性試驗,結合巷道圍巖變形監測的方法，證明針對膠帶順槽異常礦壓情況提出的防治措施是有效的。