近距離采空區下底板破壞機制與巷道差異性支護技術

于國華

（西山煤電股份有限公司馬蘭礦，山西 古交 030205）

我國許多礦區的煤層以煤層群的形式賦存，在近距離煤層開采過程中，受上煤層采動影響，其底板巖層出現擾動破壞，形成支承應力增高區和破碎卸壓區，直接影響到下覆煤層的開采布置[1-5]。馬蘭礦12610 工作面上部為10610 采空區，根據鄰近工作面生產及巷道支護效果，受采空區影響，回采巷道出現局部冒頂片幫現象，巷道斷面變形嚴重，直接影響到工作面的安全高效開采。為此，開展近距離采空區下底板破壞機制與巷道差異性支護技術研究具有重要的現實意義。

1 工程概況

馬蘭礦12610 工作面開采二疊系下統山西組2號煤層，屬較穩定可采近水平中厚煤層。2 號煤厚度1.55～2.34 m，平均1.88 m，煤層傾角1°～10°，平均4°。工作面位于910 m 水平南六采區，地面標高1267～1387 m，工作面標高864.9～896.7 m。工作面西南部為南六皮帶下山、東二回風大巷、南九進風大巷，西北側為12610 廢巷、10608 采空區，東南部為10610 底抽巷，上部間隔2.48～6.73 m 為10610 采空區。基本頂為細砂巖，厚度0.40～3.30 m，平均厚度2.70 m，灰白色，成分以石英、長石為主，鈣質膠結，層面有大量炭屑，普氏硬度7.6。直接頂為粉砂質泥巖、煤層互層結構。上部粉砂質泥巖厚度0.50～2.10 m，平均厚度1.50 m，灰黑色；底部含炭量高，普氏硬度5.7；中部1 號煤，煤層厚度0.36，半暗型，普氏硬度1.8；下部粉砂質泥巖，厚度0.50～2.14 m，平均厚度1.20 m，深灰色。上部為深灰色，含根化石較多，并含粘土質，普氏硬度5.6。直接底為粉砂巖，平均厚度1.50 m，灰黑色，含炭質，層理不清，普氏硬度7.1?；镜诪榉凵百|泥巖，平均厚度2.66 m，深灰色，普氏硬度6.0。

2 近距離采空區下底板破壞機制

在近距離煤層開采過程中，受上煤層采動影響，其底板巖層出現擾動破壞，形成支承應力增高區和破碎卸壓區，直接影響到下覆煤層的開采布置。圖1 給出了近距離上煤層采空后采空區下覆底板巖層的變形破壞機制，由圖可知，采區底板巖層受采空范圍和未采煤體的影響，下覆底板巖層的變形破壞可分為3 類，包括未采煤體下方的壓縮破壞區域（Ⅰ區）、采空范圍和未采煤體臨界區域下方的壓縮膨脹臨界破壞區域（Ⅱ區）以及采空范圍下方的膨脹破壞區域（Ⅲ區）。其中，壓縮破壞區域是指在未采煤體下方，受采動支承應力的影響，底板巖層出現的垂直壓縮破壞區域；壓縮膨脹臨界破壞區域是指位于采空范圍與未采煤體臨界區域下方，底板巖層受采空范圍和未采煤體共同影響出現的垂直壓縮、側向膨脹的破壞區域；膨脹破壞區域是指在采空范圍下方，底板巖層出現垂直膨脹的破壞區域。

圖1 采空區下伏底板巖層的變形破壞機制

根據采掘規劃，12610 工作面軌道巷將橫穿過10610 工作面回采后形成的壓縮破壞區域（Ⅰ區）、壓縮膨脹臨界破壞區域（Ⅱ區）以及膨脹破壞區域（Ⅲ區），其面臨的圍巖應力環境和整體性能具有明顯的差異性，單一形式的巷道支護不足以實現巷道的穩定控制。

3 采空區下巷道差異性支護技術

基于12610 工作面軌道巷生產地質條件和近距離采空區下底板破壞機制分析，開發適應12610 工作面軌道巷的差異性支護技術。試驗巷道沿煤層頂板布置，矩形斷面寬×高為4.5 m×2.7 m，如圖2。

圖2 巷道支護斷面圖（mm）

（1）Ⅰ區和Ⅱ區巷道支護技術

壓縮破壞區域和壓縮膨脹臨界破壞區域巷道圍巖應力環境復雜，巷道支護困難（該范圍定義為采空范圍和未采煤體臨界30 m 范圍內），采用“錨網帶+柱梁”聯合支護技術，具體支護參數如下：

頂幫錨桿采用規格Φ20 mm、L2000 mm 的左旋無縱筋高強錨桿，每根錨桿配套1 支CK2335、1 支Z2360 錨固劑，錨桿錨固長度不低于1.0 m，錨桿配套球形墊圈、蝶形托盤等支護組件，頂幫錨桿間排距設計為0.8 m×0.8 m，頂幫錨桿預緊扭矩不低于300 N?m；金屬網采用菱形網，由12#鐵絲編織，頂網規格4.7 m×1.1 m，幫網規格2.5 m×1.1 m，鋪網時，網與網的搭接不低于0.2 m；頂幫錨桿均采用W 鋼帶連接，采用寬度280 mm、厚度4 mm的W 鋼帶；采用單體液壓支柱和π 型梁加強支護，單體液壓支柱型號DW31.5-200/100，π 型梁規格L4.0 m，一梁三柱，柱距0.8 m。

（2）Ⅲ區巷道支護技術

膨脹破壞區域底板巖層出現垂直膨脹破壞，其處于破碎卸壓區，雖然其圍巖完整性較差，但是其應力環境較好，巷道相對易于維護，因此設計采用錨網帶聯合支護技術。支護參數僅支護密度與Ⅰ區和Ⅱ區巷道支護技術不一致，其余均參照該支護，頂幫錨桿間排距設計為1.0 m×1.0 m。

4 巷道圍巖控制效果分析

將開發的采空區下巷道差異性支護技術應用于12610 工作面軌道巷，進行了巷道圍巖變形實時監測。圖3給出12610工作面軌道巷掘進5個月（150 d）的圍巖變形情況。由圖可知，12610 工作面軌道巷掘進70 d 內圍巖產生了較大變形，頂板和兩幫累計移近量分別為181 mm、139 mm，頂板和兩幫移近速度分別為2.58 mm/d、1.98 mm/d；巷道掘進70 d 后，圍巖移近速度逐漸減緩直至圍巖變形趨于穩定（120 d），巷道頂板和兩幫累計移近量分別為221 mm、166 mm。根據現場調查發現，試驗巷道服務期內并未發生大的變形和事故，圍巖控制效果均較好，證明了采空區下巷道差異性支護技術的安全性和可靠性。

5 結論

近距離上煤層采空后，受采空范圍和未采煤體的影響，下覆底板巖層的變形破壞可分為3 類，包括未采煤體下方的壓縮破壞區域（Ⅰ區）、采空范圍和未采煤體臨界區域下方的壓縮膨脹臨界破壞區域（Ⅱ區）以及采空范圍下方的膨脹破壞區域（Ⅲ區）。基于此，開發了采空區下覆巷道差異性支護技術，壓縮破壞區域和壓縮膨脹臨界破壞區域采用“錨網帶+柱梁”聯合支護，膨脹破壞區域采用錨網帶聯合支護，現場應用后實現了巷道圍巖穩定控制。