近距離煤層采空區下大斷面巷道支護技術探討

王建偉

（山西河曲晉神磁窯溝煤業公司，山西 忻州 030800）

由于磁窯溝礦相鄰煤層層間距較小，相鄰煤層采動影響較大，易造成下煤層回采巷道圍巖應力集中或巷道圍巖的破壞，巷道支護難度較大[1]。同時，為滿足通風和生產需求，其巷道設計斷面面積較大，進一步加劇了巷道的失穩[2]。因此，開展對此類巷道失穩原因和控制方式的研究具有迫切的現實需要。本文以磁窯溝礦近距離開采的10-2煤采空區下13108 運輸順槽為工程實例，對其巷道失穩原因和控制方案進行初步探討。

1 工程概況

磁窯溝礦13108 運輸順槽位于平均埋深147 m的13108 工作面，巷道東部為未開采實體煤柱，南部為131 盤區大巷，西部為13108 工作面 （待開采），北部為井田邊界煤柱。巷道上方為10-2煤層10301、10302 采空區和原磁窯溝煤礦開采區域，巷道距上采空區平均距離為31.4 m。巷道沿13 煤層底板掘進，掘進長度2 320.6 m。斷面為7 m×4 m 的矩形，平均坡度3.2°。13108 運輸順槽頂底板情況如表1 所示。

表1 13108 運輸順槽頂底板情況

13108 運輸順槽斷面較大，巷道沿煤層底板掘進，圍巖為松軟的煤層。同時，距離巷道上方31.4 m 左右為10-2煤采空區。相似工況條件的相鄰巷道在巷道掘進期間，易產生巷道片幫、底鼓和頂板破碎等巷道失穩問題。雖然相鄰巷道采取了補救措施，但嚴重影響了工作面的生產效率和安全。因此，為了避免13108 運輸順槽出現類似安全隱患，急需查找巷道失穩原因，并有效制定巷道穩定控制方式。

2 巷道失穩分析

為了查找近距離煤層采空區下巷道產生失穩的原因，選取有限差分數值計算軟件FLAC3D，并根據13108 運輸順槽工況進行數值計算分析。

1）模型建立及網絡劃分。根據巷道工程概況，巷道模型為7 m×4 m，上覆采空區工作面寬度為200 m，與巷道軸向方向垂直正交。因此，模型長147 m，寬240 m，高79 m。10-2煤層工作面兩側留設20 m 保護煤柱，其余地層模型按照頂底板概況設置。為保證運算質量和效率，巷道研究區域附近網絡局部加密，其余模型網絡單元尺寸適當增加[3]。整體數值模型如圖1 所示。

圖1 數值模型

2）模型賦參及邊界條件。上述模型地層參數，取礦井設計初期巖石實驗室物理力學參數的0.1～0.2 倍[4]。采用Elastic 模型模擬模型的初始地應力，模型開采時采用Mohr 破壞模型。在10-2煤與其頂板間建立接觸面，并采用FISH 語言模擬頂板的垮落和應力恢復過程[5]。對模型z 方向施加重力加速度－10 m/s2，模型上表面距地表約100 m，對模型上表面z 方向施加－2.3 MPa 模擬模型上覆應力，側壓力系數設置為1.3。限制模型四周方向的位移，模型底部固支。

3）模擬結果分析。根據模型的塑性區和應力數值模擬結果，沿13108 巷道軸向方向做模型的切片，并對巷道影響范圍的應力和塑性區進行后處理，如圖2（a～b）所示。根據巷道圍巖垂直應力云圖和塑性區分布圖對巷道失穩原因進行分析。

圖2 x 方向數值模擬剖面

由圖2（a）可知，巷道上方10-2煤工作面開采后，覆巖垮落并重新壓實。采空區中部和采空區兩側煤柱產生了應力集中，應力集中系數分別為1.42 和1.77，導致下方對應區域的巷道頂底板均產生了1.34～1.58 倍的應力集中。結合圖2（b）可知，在不考慮支護的前提下，巷道圍巖的剪切破壞塑性區范圍為2.3～6.8 m，且應力集中區域巷道圍巖塑性區破壞范圍是非應力集中區域的1.8～2.2 倍。

綜上分析，采空區下13108 運輸順槽易產生失穩的主要原因是上覆采空區重新壓實后不均勻的應力傳遞造成的；同時，較大的巷道斷面和強度低多裂隙的煤層圍巖進一步加劇了巷道的失穩。

3 采空區下巷道支護分析

由前面分析可知，上覆采空區不均勻的應力傳遞、強度較低的煤層圍巖和大斷面巷道，導致巷道掘進時產生的塑性區破壞范圍高于普通回采巷道。應從巷道支護強度和塑性區破壞范圍兩方面，來提高巷道的穩定性。因此，借鑒開切眼掘進工程經驗和相近工況巷道支護條件[1]，決定采用二次成巷掘進技術，輔以高強度錨桿（索）網聯合支護。

1）支護方案。13108 運輸順槽支護方案如表2所示。

表2 13108 運輸順槽支護方案

2）巷道掘進方案。13108 運輸順槽采用兩次成巷掘進方式： 采用12CM15-10D 型連采機從巷道左側進刀，截割寬度3.2 m，截割深度5 m。即時進行支護，布置4 根頂錨桿和一根錨索及4 根幫錨桿。隨后，調整煤機退回原掘進位置，對巷道進行3.8 m 的擴幫，并完成剩余巷道支護。如探測發現地質構造帶時，二次循環進尺變更為1.5 m。

3）支護方案對比分析。利用原有數值模型，分別模擬巷道一次成巷和二次成巷，且考慮支護方案時，采空區中部下方應力集中區域的巷道塑性區分布規律如圖3 所示。

圖3 支護方案對比

對比圖3（a）和3（b）可知，巷道二次掘進塑性區范圍為0.5～1.2 m，一次掘進塑性區范圍為1.5～3.1 m； 一次掘進巷道產生的塑性區為二次掘進的2～3 倍，說明采用二次掘進技術后，巷道塑性區得到有效抑制。

4 應用效果

為確定13108 運輸順槽的巷道控制效果，在采空區兩側應力集中區域的下方巷道掘進頭布置測點，利用十字測點法監測自掘進30 d 內的巷道圍巖移近量[2]，如圖4 所示。

圖4 巷道表面位移監測

由圖4 可知，巷道掘進初期（0～3 d），受掘進擾動的影響，巷道位移量快速增加，巷道頂底板和兩幫的最大移近速度為16.9 mm/d 和15.8 mm/d，變形以頂板變形為主；隨后，隨著測點距離掘進工作面的距離增加，掘進擾動減少，巷道位移速度明顯下降。巷道掘進3～15 d 后，巷道位移速度基本保持不變，移近速度下降至0.1～0.2 mm/d。巷道掘進30 d 后，巷道掘進距離測點約100 m，巷道圍巖的最大移近量分別為58 mm 和42 mm，此時巷道斷面收斂率僅為2.0%，證明巷道掘進期間圍巖穩定性較好。

5 結語

近距離煤層采空區下巷道受采動影響，造成局部應力集中，是導致巷道的穩定性下降的主要原因，同時軟弱的煤層圍巖和大斷面加劇了巷道的失穩。通過數值模擬分析，表明二次掘進較一次掘進巷道塑性區范圍明顯下降。采用二次掘進控制技術后，巷道表面移近量為42～58 mm，證明巷道掘進期間圍巖穩定性較好。