近距離厚煤層上行開采巷道布置及支護技術研究

侯樹宏

(國家能源集團寧夏煤業有限責任公司 羊場灣煤礦，寧夏 銀川 751400)

我國煤炭資源儲量豐富，煤層賦存的狀態多種多樣，其中煤層群是煤層賦存狀態中常見的一種。對于煤層群開采，我國傳統上采用下行開采的開采順序，即先采上部煤層后采下部煤層，與之相對的開采方式稱為上行開采[1，2]。雖然下行開采對于工作面巷道布局、頂板管理等相關技術的解決具有較大優勢，但在面臨諸如上層煤為不穩定突出煤層、頂板含水需要對上部工作面疏導水、開采價值低于下層煤等特殊問題時，采用上行開采方式有助于礦井盡早實現安全高效高產，具有一定的技術優勢[3]。

我國煤礦上行開采案例眾多，在上行開采技術的研究和應用方面走在了世界前列。傳統上我國關于上行開采可行性的判定方法有“三帶”判別法、比值判別法、數理統計法、圍巖平衡法等[4]，主要將上下煤層平均間距與下部煤層厚度和“三帶”關系作為判斷上行開采是否可行的主要依據。宋振騏院士[5]認為除了上、下兩層煤的層間距和圍巖性質兩個要素外，上行開采還需要考慮上煤層的覆巖性質及其組合。馬立強、汪理全等[6]針對傳統煤層群上行開采判別方法的局限性，對上位煤層的覆巖狀況與上行開采的關系進行了研究，擴大了近距離煤層群上行開采的應用范圍。馮國瑞[7-9]從殘采區上行開采層間巖層結構及其上部煤層底板移動變形規律的角度，對殘采區上行開采的可行性判定理論、方法和礦壓控制技術等進行了系統的研究。王成、張農等[10]構建了“等效開挖”理念和“低效加固區”概念，對上行開采過程中頂板巷道穩定控制問題形成了一套較為完善的原理。姜耀東等[11]對大面積巷式采空區覆巖破壞機理進行了研究，建立了均布荷載下連續深梁力學結構模型，提出了大面積巷式采空區上方煤層上行開采可行性判定理論及方法。黃光平[12]對近距離多煤層群的開采方式及沿空留巷方案進行了研究。其他學者也對不同條件下的近距離煤層群上行開采技術和理論進行了大量有意義的研究[13-18]。本文以寧煤羊場灣煤礦為工程背景，在采空區上方掘進探巷實地探測的基礎上，對厚煤層采空區內近距離上行開采工作面的回采巷道合理布置和支護技術進行了研究。

1 工況概況

羊場灣煤礦位于寧夏回族自治區銀川市靈武市寧東鎮境內的碎石井勘探區中部。礦井可采煤層有一、二、六、九、十四、十五、十六等10層，其中二煤層為礦井最主要的開采煤層，厚度3.04～14.04m，平均厚度8.11m，是礦井當前的主采煤層，開采方法為大采高綜采或綜放開采，其中在12采區采用5.5m大采高開采。

一煤在井田內賦存穩定，屬大部可采煤層，主要可采區域分布在11采區、12采區和16采區，煤層厚度0.00～2.76m，平均厚度1.42m，一煤與其下部二煤間距5.46～35.37m，平均20.54m。11、12采區一煤可采儲量約為1250萬t，具備較大的經濟價值。礦井前期對一煤進行了試采，但由于頂板淋水較大，底板粉砂巖遇水泥化等原因，難以實現正常回采，因此轉為下部的二煤開采。在羊場灣煤礦二煤厚煤層資源即將枯竭的情況下，礦井對采空區內上覆一煤層遺留煤炭資源的合理回收也逐漸提到議事日程。井田內11采區和12采區一煤下的二煤已開采完畢結束4a以上，礦井前期通過探巷探明二煤頂板及一煤頂板已膠結穩定，表明一煤具備開采條件，并將12采區作為一煤回采的首采區。

根據12采區內地質鉆孔統計，12采區一煤厚度分布在0.6～2.76m，平均厚度為1.85m；煤層傾角平均為10°左右，煤層單軸抗壓強度平均為10.3MPa。一煤頂板為平均26.5m厚的粗砂巖，單層厚度大，是一煤上方的主要承載巖層，單向抗壓強度平均為15.3MPa，屬易冒落～中等易冒落較穩定巖層；一煤底板中，平均厚度7.5m的中粒砂巖為一煤工作面老底，也是下部二煤工作面老頂，屬中等較穩定巖層。一煤、二煤上方不遠處均有較穩定的承載層，這在理論上為采動影響倍數較小的情況下開展一煤上行開采提供了可能性[6]。

2 一煤上行開采巷道布置方式

在上行開采工作面巷道合理布置需要從兩個方面來考慮，即上部工作面既要避免處于下部煤柱的應力影響區，又要盡量不處于煤層下沉盆地的邊界。因此，一煤上行開采巷道布置優先采用內錯式布置。為了確定一煤工作面回采巷道與下部二煤采空區邊界的水平錯距，采用在二煤采空區上方一煤層內掘巷勘探的方式，對已采厚煤層采空區內一煤賦存條件和頂底板破壞情況進行了實地探測。探巷布置如圖1所示。

圖1 12采區一煤探巷位置

12采區二煤已經在2018年以前全部開采完畢，其中120201工作面已經在2010年回采完畢，距今已有10余年時間，12采區一煤首采工作面擬布置在120201工作面采空區上方。一煤層探巷(一段)選擇在鄰近的120215工作面二煤層未采區域內，從120215風巷以10°坡向二煤層頂板布置穿層巷道至一煤層后，沿一煤進入120201工作面采空區范圍20m以上。第一段探巷進入二煤采空區時，一煤層傾角由13°急劇加大到49°，出現明顯的下沉臺階，在該區域內不適宜布置一煤工作面。

為了確定一煤工作面兩巷與二煤采空區邊緣的合理水平錯距，從第一段探巷掘進頭側不同位置分叉布置了第二段和第三段探巷，其中第三段探巷從120201采空區西側邊緣穿插至東側邊緣，跨越了整個120201工作面采空區，便于掌握工作面傾向方向一煤層及其直接頂底板的破壞情況。第二段和第三段探巷在第一段探巷基礎上又兩次揭露采空區邊緣下沉臺階。根據采空區邊界探測，形成2#煤層采空區上方覆巖垮落形態，如圖2所示。

圖2 2#煤層采空區上方覆巖垮落形態

二煤開采后，上覆煤巖裂隙由下向上成65°破斷角發育，由于頂板巖層受到不同程度的擠壓和拉伸作用，煤巖體內部產生大量縱向破斷裂隙和橫向離層裂隙，縱向破斷裂隙主要產生在傾向切眼、終采線以及工作面巷道構成的采空區邊緣附近，而橫向離層裂隙發育在采空區內部平衡帶的正上方。橫向離層裂隙一般會隨著開采時間的增長而逐漸被壓實，而縱向裂隙可能會產生煤巖的臺階錯動。在臺階錯動影響范圍內，上行開采的煤層產狀變化較大，對工作面巷道布置和回采造成很不利的影響。結合探巷揭露的圍巖變形破壞情況分析，為避開采空區邊緣臺階錯動下沉帶影響，確定一煤工作面巷道距120201采空區邊緣距離為不小于20m。

在初步分析出一煤層首采面合理的工作面巷道位置后，沿120101回風巷內錯20m施工了一條一煤層走向探巷，命名為1#探巷，并在后期作為一煤首采工作面回風巷使用。根據探巷揭露情況判斷，掘巷位置一煤層與二煤層層間巖層已膠結壓實，且巷道掘進完成后并未發生巷道大變形情況，表明1#探巷的掘進位置是合理的。

為了進一步掌握一煤層頂底板深部的完整性情況，在一煤層1#探巷中的頂底板進行了鉆孔窺視，由鉆孔窺視的孔壁完整性可知，一煤層頂板上方0～2m巖體出現較大裂紋，2m以外巖層完整性較好。一煤底板在淺部0～0.8m較為破碎，0.8m以下底板完整性較好。可見采空區內一煤層及其頂底板壓實膠結后的完整性較好，具備上行開采的條件。

3 一煤回采巷道斷面選擇及支護技術

3.1 巷道斷面選擇

巷道斷面尺寸是根據設備、運輸、通風、行人及管線敷設等要求設計，需要滿足多個系統的要求。根據礦井實際需要，確定巷道斷面為高3.6m，寬5m左右。采用數值模擬以及現場試驗等方法，對矩形斷面、微拱形斷面和直墻半圓拱斷面三種常見巷道斷面形狀進行了對比分析，經過技術和經濟上的優選，最終確定一煤探巷的合理斷面形狀與尺寸。

3.1.1 數值模擬

采用FLAC3D數值模擬軟件對上行開采條件下一煤層回采巷道不同斷面形狀圍巖穩定性進行了模擬分析。根據羊場灣煤礦綜合地質資料，確定模擬的各巖層巖性與參數，見表1。建立模型高度180m，傾向和走向方向長度為400m，巖層傾角10°，模型共由486160個單元和504630個節點組成。

表1 數值模擬計算模型的巖體力學參數

在模型初始地應力平衡后，對下部二煤120201工作面進行開挖，并在開挖后對采空區進行回填處理，模擬工作面開挖過后，采空區壓實、應力恢復后的狀態。120201工作面開挖后沿工作面傾向和走向方向的垂直應力分布特征如圖3所示。

圖3 120201工作面開挖后垂直應力分布

在120201工作面開挖結束且上覆巖層恢復穩定后，在上覆一煤布置回采巷道并進行開挖，一煤回采巷道內錯120201工作面回采巷道20m布置。一煤回采巷道斷面按照微拱形、矩形以及直墻半圓拱形共設計三種模擬方案。三種斷面形狀的巷道圍巖應力分布情況如圖4—圖6所示。巷道圍巖應力集中程度從高到低依次為：矩形斷面、微拱形斷面、直墻半圓拱形斷面，因此，直墻半圓拱形巷道受力環境最好，矩形巷道受力環境最差，微拱形巷道介于二者之間。

圖4 微拱形巷道應力分布

圖6 直墻半圓拱形巷道應力分布

三種巷道斷面的圍巖位移分布云圖如圖7—圖9所示。在模擬的三種常見斷面中，直墻半圓拱巷道圍巖發生位移最小，微拱次之，矩形巷道變形最大。另外，由于煤層存在傾角，一煤層工作面上下兩巷應力分布、位移變化等在巷道兩幫和頂底板分布并不均勻；下巷整體變形比上巷較為嚴重，上巷整體變形較小；而且巷道左右兩幫發生的位移較大，應是巷道支護的重點。經分析，若采用矩形斷面，則兩幫煤體有較大可能發生大位移內擠，不利于煤礦正常工作，故建議采用整體位移較小，且不易致使兩幫發生過大變形的直墻半圓拱與微拱巷道，而兩者中直墻半圓拱形對于維持巷道圍巖穩定最優，但與微拱斷面差異不大。

圖7 微拱形巷道位移分布

圖8 矩形巷道位移分布

圖9 直墻半圓拱形巷道位移分布

3.1.2 現場試驗

在一煤探巷掘進過程中，對三種巷道斷面形狀分別進行了試驗應用。在1#探巷掘進初期階段，由于不了解二煤采動影響下一煤的完整性情況，因此，首先采用穩定性最好的直墻半圓拱形斷面配合錨網噴支護形式，為防止圍巖大范圍失穩現象，采用U型鋼加強支護。采用上述斷面和支護形式掘進過程中，發現探巷圍巖變形量很小，圍巖自穩能力高于預期，巷道表面光滑，無破壞現象。

在掌握二煤采空區內一煤賦存狀態后，為了降低一煤探巷的掘進成本，在巷道掘進的第二階段，先后對矩形斷面巷道和微拱形巷道斷面進行了試驗應用。矩形斷面巷道采用錨網噴聯合支護形式，但在巷道掘進過程中，發現該斷面和支護形式難以滿足探巷穩定性需求，經常出現大范圍冒頂現象，需要采用單體支柱結合工字鋼進行加強支護，增大了巷道掘進管理難度，同時增加了巷道破碎頂板注漿費用，大大降低了巷道掘進速度。因此，在后續掘進過程中，1#探巷采用微拱形(三心拱形)斷面和錨網噴聯合支護形式，在頂板破碎段加大注漿壓力，在該斷面和支護形式下巷道圍巖穩定性良好。

現場實際應用效果表明：微拱形兼具矩形斷面和半圓拱斷面的優點，能夠改善巷道的受力性能，提高巷道的抗變形能力，延長巷道的使用壽命，減少巷道的二次維護，支護安全得到保障，經濟效益和安全效益較為顯著，錨網噴聯合支護不僅能顯著提高巷道支護效果，增加安全程度，而且可以節約大量支護和維修費用，在減輕工人勞動強度的同時，能夠改善井下作業環境，促進礦井高產高效。現場試驗效果與數值模擬分析結果相一致。

3.2 巷道支護參數設計

根據前文研究，最終確定一煤探巷采用直墻微拱形斷面，并對巷道支護參數進行了優化設計。巷道頂部支護使用?22mm-M24-2500mm(MG500)成套螺紋鋼錨桿，每根錨桿充填2節?23mm×700mm的樹脂藥卷，幫部使用?22mm-M24-2500mm(MG500)號端頭螺紋鋼錨桿，每根錨桿充填2節?35mm×350mm的樹脂藥卷，錨桿間排距800mm×1000mm。頂錨桿使用一條與巷道斷面相符的圓鋼鋼帶，幫錨桿使用一塊W280-450-5mm鋼護板，頂部掛鋼筋網，網孔尺寸為100mm×100mm，鋼筋網嚴格執行無鉛絲聯網技術；幫上掛塑鋼網或菱形網(上幫掛菱形網，網孔尺寸為50mm×50mm，下幫掛菱形網，網孔尺寸為50mm×50mm)，幫上連網采用隔扣相聯的方式進行聯網，鋼筋網與幫部塑鋼網或菱形網搭接不小于300mm，錨桿預緊力不小于80kN；錨索采用?21.8mm×8300mm鋼絞線錨索，錨索托梁為長度2500mm的14#槽鋼，每根錨索充填4節?23mm×700mm的樹脂藥卷，錨索間排距900mm×2000mm，每根錨索帶一個規格200mm×110mm×10mm的穹型托板，錨索預緊力不小于150kN。在執行上述支護形式的過程中，若遇到一煤采動引起的頂板破碎段，造成錨桿索預緊力難以施加等問題，采用局部注漿方式加強支護。一煤探巷支護參數如圖10所示。

圖10 一煤探巷支護參數(mm)

3.3 巷道支護效果檢驗

為了解微拱形巷道錨網噴支護效果，在一煤探巷不同位置設立多個巷道變形監測斷面，采用多點位移計法進行巷道表面位移監測，監測結果如圖11所示。由圖11可知，巷道掘進完成后，在非采動影響階段，圍巖在60d后變形趨于穩定，頂板、底板、兩幫圍巖收斂速率均降至1mm/d以下，此時頂板最大變形量為60mm，兩幫最大變形量為148mm，底板最大變形量為96mm，總體變形量值較小，支護系統亦無開裂損毀現象發生，表明當前支護形式和支護參數實現了對一煤探巷的有效控制。

圖11 一煤探巷圍巖變形實測結果

4 結 論

1)通過掘探巷的方式對采空區內上覆一煤及其頂底板完整性進行了實地勘探，一煤層及其頂底板壓實膠結后的完整性較好，具備上行開采的條件。

2)二煤開采后采空區上方覆巖垮落形態從下向上呈65°角發育，并在采空區邊緣形成臺階錯動下沉帶；根據探巷揭露的圍巖變形破壞情況，確定一煤工作面回采巷道與二煤采空區邊緣的內錯水平距離為不小于20m。

3)采用數值模擬和現場試驗等方法對矩形斷面、半圓拱形斷面和微拱形斷面三種常見巷道斷面形狀應用效果進行了對比分析，確定一煤回采巷道的合理斷面形狀為微拱形斷面，采用錨網噴聯合支護形式，并對支護參數進行了優化設計。

4)根據多點位移計監測結果，一煤回采巷道在二煤采空區內掘進完成后，巷道圍巖在60d后變形趨于穩定，在非采動影響階段，頂板最大變形量為60mm，兩幫最大變形量為148mm，底板最大變形量為96mm，巷道總體變形量較小，表明當前支護形式和支護參數實現了對巷道圍巖的有效控制。