1201-2 回風順槽采空區下合理錯距及圍巖控制技術研究

王 帥

（山西汾西瑞泰正中煤業有限公司，山西 靈石 031308）

1 概況

汾西瑞泰正中煤業1201-2工作面井下位于一采區西北部，工作面北鄰椒仲舊井，南鄰一采區軌道上山，西鄰井田邊界，東部為實體煤層。工作面上部為2上號煤層1201-1采空區（2017 已采）和1203-1采空區（2019 已采）。1201-2工作面開采2下號煤層，屬二疊系下統山西組中部，煤層結構復雜，含3 層夾矸，夾矸厚度0.35 m，煤層厚度2.2～3.1 m，平均厚度為2.8 m。工作面區域2下號煤層與2上號煤層間的平均間距為6.0 m，兩煤層間的巖層主要為砂質泥巖和細粒砂巖，2上號煤層上覆巖層主要為砂質泥巖和細粒砂巖。1201-2回風順槽主要為1201-2工作面提供行人、回風和運料服務，巷道長度為750 m，設計巷道沿煤層底板掘進，巷道斷面為矩形，掘進寬度×高度=4400 mm×3100 mm。

2 巷道與采空區合理錯距分析

2上號煤層與2下號煤層屬于近距離煤層，其中2上號煤層開采后，其上覆巖層會在采動影響下產生破壞和彎曲下沉，使得2下號煤層覆巖形成多介質屬性特征。另外2上號煤層開采會破壞煤層底板的完整性，這種破壞會對2下號煤層圍巖的變形產生較大的影響。為有效分析近距離采空區下巷道合理的布置位置，為維護巷道圍巖穩定提供基礎，采用FLAC3D數值模擬軟件對1201-2回風順槽與上覆1203-1回采順槽間的合理間距進行分析。

根據1201-2工作面的賦存情況，建立長×寬×高=110 m×10 m×45 m 的數值模型，模型底部邊界作固定處理，兩側邊界限制其水平位置，模型頂部施加等效自重荷載，并在上下煤層工作面開采區域采用網格加密處理。結合眾多近距離煤層采空區下巷道合理布置位置相關研究[1-3]，本次模擬主要對1201-2回風順槽與上覆1203-1回采順槽間錯距為10 m、20 m、30 m 和40 m 時圍巖變形特征進行對比分析，具體模型方案示意如圖1。

數值模型建立完畢后，為有效掌握2上號煤層開采后周邊煤體和底板煤巖體內的應力分布特征，分別在2下號煤層底板（測線1）、2下號煤層（測線2）和2下號煤層頂板（測線3）布置應力監測線?，F根據數值模擬結果，分別對1201-2回風順槽與上覆采空區不同錯距下的圍巖應力和塑性區分布狀態進行分析。

（1）圍巖應力。根據數值模擬結果，通過收集測線數據能夠繪制出3條測線的應力曲線如圖2。

圖2 不同錯距下巷道圍巖應力分布圖

分析圖2 可知，2下號煤層回采時，當回風順槽與上覆1203-1回采順槽間的間距為10 m 時，回風順槽位于應力降低區，巷道掘進后，整體應力水平較低，最大應力小于2.0 MPa；當回風順槽與上覆1203-1回采順槽間內錯20 m 時，巷道處于應力降低區與原巖應力恢復區的交界處，巷道掘進后兩幫側應力水平相差較大，巷道左幫應力最大值為8.92 MPa，右幫應力最大值小于2.0 MPa；當回風順槽與采空區間內錯30 m、40 m 時，下煤層回采巷道處于采空區矸石支承影響區，巷道掘進后兩幫煤體的應力呈現出明顯增高的現象，另外巷道兩幫側的底板巖體應力明顯增長，但巷道頂板巖體的應力呈現出一定的降低趨勢。

（2）圍巖塑性區。根據數值模擬結果能夠得出回風順槽與采空區不同錯距下圍巖塑性區發育特征如圖3。

分析圖3 可知，當回風順槽與上煤層回采巷道內錯10 m 時，在上煤層頂板開采結構的保護下，下煤層回采巷道處于應力降低區，巷道掘進后，圍巖塑性區發育較為均衡，塑性區的破壞深度在2～3 m的范圍內；當回風順槽與上煤層回采巷道內錯20 m布置時，巷道處于應力降低區向原巖應力恢復區的過渡區域內，下煤層回采巷道左幫塑性區域掘巷前塑性區發育連成一個整體，圍巖塑性區發育深度≤2.5 m；當內錯30 m、40 m 時，下煤層回采巷道處于下煤層開采的底板塑性區內，圍巖塑性區的破壞范圍增大，造成周邊煤巖體的塑性破壞程度不斷增大。

圖3 不同錯距下巷道圍巖塑性區分布圖

綜合上述分析可知，1201-2回風順槽內錯上覆1203-1回采順槽的合理錯距為10～20 m，結合回風順槽的具體賦存情況，充分考慮工作面開采的安全性，最終確定回風順槽與上覆采空區間的錯距為20 m。

3 支護方案及效果

3.1 支護方案

根據1201-2工作面回風順槽與上覆2上號煤層采空區間的具體關系，結合回風順槽的賦存特征可知，2下號煤層與2上號煤層間的平均間距為6 m，且2上號煤層頂板的砂質泥巖和細砂巖層裂隙發育，2下號煤層開采期間對底板具有一定的破壞深度。為確保錨網索主動支護的效果，需提升2下號煤層頂板的主動承載能力。由于2下號煤層開采的破壞，2上號煤層頂板破壞程度較大。綜合目前現有近距離煤層開采的研究結論和工程實踐經驗[4-7]，確定1201-2工作面回風順槽采用注漿短錨索+錨桿的支護方案，具體支護參數如下：

（1）頂板支護。錨桿采用Φ22 mm×1800 mm的高強螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm，錨固采用加長錨固，錨桿預緊扭矩為300 N·m，兩頂角錨桿與頂板成20°布置，其余錨桿垂直頂板布置；錨索采用Φ21.6 mm×3500 mm 的短注漿錨索，間排距為1200 mm×1500 mm，錨索每排布置4 根，預緊力為210 kN，注漿材料采用水泥漿，水泥采用425#普通硅酸鹽水泥，水泥漿水灰比為0.5，注漿終孔壓力為4 MPa；頂部錨桿索間采用W 型鋼帶進行連接，鋼帶規格為長×寬×高=5000 mm×280 mm×5 mm，采用網格為100 mm×100 mm、尺寸為1600 mm×900 mm 的金屬網進行護表。

（2）兩幫支護。幫部錨桿的參數同頂板，間排距為750 mm×800 mm，兩幫角錨桿與幫部成20°布置，其余錨桿均垂直巷幫布置，幫部采用塑鋼網進行護表，網幅規格為4000 mm×1000 mm，網片壓茬連接，搭接長度為100 mm，相鄰網片間采用16#鐵絲連接。

具體1201-2工作面回風順槽支護方式如圖4。

圖4 回風順槽支護斷面圖（mm）

3.2 效果分析

1201-2工作面回風順槽掘進期間，每間隔50 m布置一個巷道圍巖變形觀測點，測點緊跟迎頭設置，采用十字布點法進行觀測分析。根據觀測數據能夠繪制得出圍巖變形曲線，現選取測站1～3 的觀測數據進行具體分析，圍巖變形曲線如圖5。

分析圖5可知，1201-2工作面回風順槽掘進期間，圍巖變形主要出現在巷道掘出后的0～20 d 內，頂底板及兩幫變形在該階段處于快速增長階段，圍巖變形速率快；當巷道掘出20 d 后，圍巖變形速率大幅降低，圍巖逐漸趨于穩定；當巷道掘出25 d 后，圍巖基本達到穩定狀態。最終頂底板移近量和兩幫移近量的最大值分別為92 mm 和105 mm。

4 結論

根據1201-2工作面回風順槽的賦存特征，通過數值模擬分析回風順槽與上覆1203-1回采順槽間的合理間距，確定回風順槽內錯上覆采空區20 m?；谙锏赖刭|條件及模擬結果，設計巷道采用注漿短錨索+錨桿的支護方案，并對支護參數進行設計。根據支護方案實施后的效果分析可知，巷道在20 m錯距和現有支護下圍巖處于穩定狀態。