特厚煤層回采巷道圍巖破壞特征及控制技術(shù)

周向文

(中煤大同同源有限責(zé)任公司，山西 大同 037003)

0 引言

(極)近距離煤層在我國廣泛分布，隨著礦井服務(wù)年限增加，許多礦井上層煤開采殆盡，面臨著采空區(qū)下下層煤開采的問題[1-3]。上層煤開采后造成應(yīng)力在底板巖層重新分布，形成采空區(qū)下的卸壓區(qū)和遺留煤柱下的聚壓區(qū)；從而導(dǎo)致下層煤開采時(shí)，覆巖破斷和頂板結(jié)構(gòu)特征與單層煤開采時(shí)有較大區(qū)別，單一煤層開采獲得的礦壓顯現(xiàn)和控制機(jī)理無法較好的指導(dǎo)近距離煤層群下層煤開采實(shí)踐[4-6]。當(dāng)煤層間距較小時(shí)，上層煤的采動(dòng)應(yīng)力對(duì)下層煤開采的影響將更加明顯，容易造成工作面強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)、巷道變形嚴(yán)重等圍巖控制問題[7-9]。當(dāng)下層煤為特厚煤層時(shí)，下層煤的強(qiáng)采動(dòng)會(huì)進(jìn)一步惡化工作面圍巖的工程特性，圍巖穩(wěn)定性控制更加困難。針對(duì)中煤塔山煤礦極近距離采空區(qū)下特厚煤層綜放面回風(fēng)順槽巷道嚴(yán)重破壞的實(shí)際情況，進(jìn)行了鉆孔窺視、深基點(diǎn)監(jiān)測(cè)等現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，結(jié)合數(shù)值模擬分析了巷道支護(hù)失效和大變形失穩(wěn)的機(jī)理，研究了區(qū)段煤柱寬度和上覆遺留煤柱水平距離對(duì)巷道變形的影響，確定了區(qū)段煤柱的合理寬度，優(yōu)化了回風(fēng)順槽支護(hù)方案，有效控制了巷道變形。

1 工程概況

中煤塔山煤礦30503工作面所開采的3～5號(hào)煤層厚度為14.58～19.73 m，平均17.28 m，煤層平均傾角為2°，平均埋藏深度為433 m。3～5號(hào)煤煤質(zhì)較硬，單軸抗壓強(qiáng)度為30 MPa左右；煤層頂板為鋁土質(zhì)泥巖、高嶺質(zhì)泥巖和炭質(zhì)粉砂巖，厚度為4.56～4.85 m，平均4.71 m；底板為粉砂巖和炭質(zhì)泥巖，厚度為1.10～5.70 m，平均4.50 m。工作面巖層柱狀圖如圖1所示。

圖1 30503工作面巖層柱狀圖

30503回風(fēng)順槽設(shè)計(jì)長度1 890 m，沿3～5號(hào)煤層底板掘進(jìn)，巷道寬度和高度分別為5.4 m和4.7 m。巷道支護(hù)參數(shù)為：頂錨桿為φ22 mm×2 400 mm螺紋鋼錨桿，托盤規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm的鋼托盤。幫錨桿為φ20 mm×2 200 mm螺紋鋼錨桿；頂、幫錨桿間排距均為1 000 mm×1 000 mm。錨索為φ22 mm×7 300 mm，1×19股高強(qiáng)度鋼絞線，采用300 mm×300 mm×14 mm鋼托盤；錨索間排距為1 600 mm×2 000 mm。

3～5號(hào)煤層開采條件復(fù)雜，30503工作面上覆為2號(hào)煤層10201工作面采空區(qū)，層間距為4.71 m。30503回風(fēng)順槽水平距離2號(hào)煤殘留煤柱15 m，30503回風(fēng)順槽西側(cè)為30501采空區(qū)，具體如圖2所示。受到復(fù)雜采動(dòng)應(yīng)力環(huán)境影響，巷道掘進(jìn)到890 m里程時(shí)破壞嚴(yán)重，具體表現(xiàn)為頂板和兩幫異常破碎、下沉量大；頂板和兩幫多出現(xiàn)網(wǎng)兜，部分錨桿和錨索錨固失效，隨網(wǎng)兜一起被拔出；進(jìn)而巷道變形進(jìn)一步加劇，造成巷道閉合而無法使用，具體如圖3所示。

圖2 30503回風(fēng)順槽周邊回采情況

圖3 30503回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面破壞情況

2 圍巖破碎變形特征

2.1 頂板破碎探測(cè)

采用TYGD10型巖層鉆孔探測(cè)儀，在巷道753～873 m區(qū)間布置5個(gè)窺視鉆孔，分別標(biāo)記為點(diǎn)①、點(diǎn)②、點(diǎn)③、點(diǎn)④、點(diǎn)⑤。窺視表明頂板巖層結(jié)構(gòu)較為簡單，大部為煤層，含多層厚度較薄的夾層；淺部的頂煤，裂縫發(fā)育，破碎嚴(yán)重，多出現(xiàn)離層現(xiàn)象；縱橫裂隙交叉分布，其中0.25 m、1.06 m、1.75 m處出現(xiàn)較大的離層，但窺視孔的形態(tài)較完整。逐漸向深部觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，破碎程度逐漸減輕，裂隙也逐漸減少，其中3.0～4.5 m之間裂隙較多，6～8 m間有少量破碎和裂隙現(xiàn)象，代表性的窺視結(jié)果如圖4所示。各窺視鉆孔的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1，可知5個(gè)窺視鉆孔一般包含6～10個(gè)破碎區(qū)，破碎比較嚴(yán)重，具體表現(xiàn)為破碎區(qū)最大長度可達(dá)2.02 m，長度大于0.1 m的破碎區(qū)個(gè)數(shù)一般大于5個(gè)，最多可達(dá)8個(gè)，最大破碎區(qū)深度一般大于3.0 m，最深可達(dá)4.5 m。

圖4 代表性的頂煤裂隙窺視結(jié)果

表1 鉆孔窺視結(jié)果一覽表

根據(jù)窺視結(jié)果可知30503回風(fēng)順槽在掘進(jìn)期間頂板破碎區(qū)一般在4.5 m以淺，圍巖裂隙破碎區(qū)多且嚴(yán)重，幾乎沒有承載能力；在孔口處裂隙密集，且逐漸向深部發(fā)育，甚至在錨索末端出現(xiàn)裂隙，這是導(dǎo)致巷道部分錨索失效，無法正常發(fā)揮錨固作用的主要因素之一，進(jìn)而導(dǎo)致巷道圍巖難以控制，巷道失穩(wěn)破壞，無法服務(wù)礦井生產(chǎn)。

2.2 頂板變形監(jiān)測(cè)

在30503回風(fēng)平巷每間隔50 m安裝了一組頂板離層儀，設(shè)置深、淺兩個(gè)基點(diǎn)，分別監(jiān)測(cè)淺部0～2 m和深部2～6 m頂板下沉量。這里取400～690 m巷道變形嚴(yán)重且部分發(fā)生冒頂?shù)囟蔚挠^測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖5所示。

由圖5可知，頂板下沉一般可分為3個(gè)階段，第1階段一般位于掘進(jìn)工作面后方70～100 m以內(nèi)，頂板下沉速度較慢，且淺部和深部頂板下沉差別較小，一般在50～100 mm，表明頂板趨近于整體變形，頂板離層量較小。第2階段在掘進(jìn)工作面后方100～350 m范圍內(nèi)，頂板變形速度較第1階段大幅增加，且深淺兩個(gè)基點(diǎn)之間的變形差別逐漸增大，表明頂板內(nèi)的離層量逐漸增加。第3階段為掘進(jìn)工作面后方350 m以外，頂板下沉速度逐漸減小，深部頂板下沉趨于穩(wěn)定，而淺部頂板變形緩慢增加，并在掘進(jìn)工作面后方250～350 m逐漸趨于穩(wěn)定，最大下沉量可達(dá)400～450 mm。可見，巷道掘進(jìn)后，不僅變形速度快而且變形持續(xù)時(shí)間長；頂板內(nèi)的離層量也逐漸增加，表明頂板支護(hù)體沒有較好地發(fā)揮作用。

圖5 30503回風(fēng)順槽頂板變形觀測(cè)結(jié)果

2.3 巷道圍巖應(yīng)力與破壞特征

在上覆遺留煤柱的集中應(yīng)力作用下，巷道頂板(即頂煤)中垂直應(yīng)力的非均勻分布是影響巷道穩(wěn)定性的主要因素[10-11]。采用FLAC3D數(shù)值模擬分析了30501工作面后方，側(cè)向圍巖應(yīng)力分布規(guī)律，如圖6所示。可見30501工作面回采造成側(cè)向應(yīng)力集中，而2號(hào)煤層遺留煤柱進(jìn)一步增加了采動(dòng)應(yīng)力的集中程度。煤柱下方是高應(yīng)力集中區(qū)，在煤柱正下方應(yīng)力高達(dá)130 MPa，在30503回風(fēng)巷頂板層位，應(yīng)力也達(dá)到44 MPa；但隨遠(yuǎn)離煤柱向30501采空區(qū)方向，采動(dòng)應(yīng)力逐漸減小，在距離采空區(qū)20 m的位置采動(dòng)應(yīng)力為23 MPa。在此區(qū)域掘進(jìn)巷道必然要經(jīng)受高采動(dòng)應(yīng)力的影響，造成圍巖破壞范圍大，如圖7所示，巷道被破壞區(qū)包圍，強(qiáng)度大幅降低是造成巷道圍巖破碎和大變形的主要原因。

圖6 巷道掘進(jìn)前30501側(cè)向采動(dòng)應(yīng)力分布規(guī)律

圖7 30503回風(fēng)巷掘進(jìn)后圍巖塑性區(qū)分布

此外，由于30503回風(fēng)巷與30501工作面迎頭掘進(jìn)，巷道需要經(jīng)歷整個(gè)回采周期的影響，不僅影響劇烈，而且影響時(shí)間長[12]；不利于巷道圍巖穩(wěn)定性控制，這也是巷道變形速度快和變形持續(xù)時(shí)間長的一個(gè)主要原因(圖5)。因此臨空側(cè)巷道的掘進(jìn)應(yīng)該在30501采空區(qū)及其頂板運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定后再進(jìn)行。

3 煤柱尺寸和圍巖支護(hù)方案優(yōu)化

3.1 煤柱合理尺寸研究

工作面開采后，工作面?zhèn)认蛏戏降幕卷敾驁?jiān)硬巖層，由一次采動(dòng)時(shí)的臂梁結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橹貜?fù)采動(dòng)時(shí)的雙拱結(jié)構(gòu)[13]，此頂板結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律和穩(wěn)定性決定了采空區(qū)側(cè)回采巷道的變形特征；當(dāng)此結(jié)構(gòu)在工作面?zhèn)认蛐纬煞€(wěn)定的“三鉸拱”結(jié)構(gòu)時(shí)，其下方為應(yīng)力降低區(qū)，是采空側(cè)巷道的優(yōu)選位置[14]。因此，應(yīng)適當(dāng)減小煤柱的尺寸，一方面使臨空側(cè)巷道更加靠近低應(yīng)力區(qū)，同時(shí)也增加了30503回風(fēng)巷與遺留煤柱水平方向的距離，即遠(yuǎn)離了煤柱集中應(yīng)力的影響。圖8為煤柱寬度為8 m時(shí)，采空區(qū)圍巖應(yīng)力穩(wěn)定后，再掘進(jìn)30503回風(fēng)巷時(shí)，巷道頂板層位采動(dòng)應(yīng)力分布情況?？梢钥闯鱿锏理敯宀蓜?dòng)應(yīng)力只有5.2 MPa，較非穩(wěn)定狀態(tài)采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力(圖6)大幅降低。這種情況下，30503回風(fēng)巷圍巖塑性區(qū)也大幅減小，如圖9所示，對(duì)應(yīng)的巷道圍巖變形也大幅減小，如圖10所示。

圖8 30503回風(fēng)巷頂板層位應(yīng)力分布情況

圖9 30503回風(fēng)巷圍巖塑性區(qū)分布情況

圖10 不同煤柱寬度巷道變形模擬結(jié)果

數(shù)值模擬分析了不同煤柱寬度時(shí)，巷道變形量如圖10所示。隨煤柱寬度減小(即巷道遠(yuǎn)離2號(hào)煤遺留煤柱)，巷道頂?shù)装搴蛢蓭鸵平靠焖贉p小。當(dāng)煤柱寬度為8～10 m時(shí)，頂?shù)缀蛢蓭妥冃瘟糠謩e減小到35 mm和40 mm左右；此后隨煤柱寬度進(jìn)一步減小，巷道變形量緩慢增加，這主要是因?yàn)椴捎谜褐鶗r(shí)巷道圍巖已經(jīng)處于完全塑性區(qū)，錨桿等支護(hù)體無法完全發(fā)揮效力。因此，合理的煤柱寬度應(yīng)該為8 m。

3.2 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

通過以上分析，將原先的20 m的區(qū)段煤柱，在890 m里程處減小到8 m(圖2)。若將0～890 m里程的煤柱寬度也修改為8 m，則需要重新掘進(jìn)這段巷道，而且在回采期間工作面一直要過空巷，不僅增加了成本而且不利于工作面安全管理，因此對(duì)這部分巷道進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，并在采動(dòng)影響后對(duì)變形大的地段進(jìn)行了返修。參考前期的支護(hù)方案，并結(jié)合數(shù)值模擬方法，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)效益，在原有的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖11所示。

圖11 支護(hù)斷面圖

30503回風(fēng)順槽頂、幫都使用50 mm×50 mm菱形金屬網(wǎng)，網(wǎng)片間采用16#雙股扎絲按200 mm扣距連接，并呈三花布置。

頂、幫都采用φ22 mm×2 400 mm螺紋鋼錨桿，間排距為950 mm×1 000 mm，鋼托盤規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm，配合使用5 200 mm×280 mm×4 mm型W鋼帶；每根錨桿配合使用1支K2335、1支Z2360樹脂藥卷，錨固力不小于70 kN，錨桿螺母扭矩不小于400 N·m。

錨索采用φ22 mm×8 300 mm高強(qiáng)鋼絞線，配合φ5 200 mm×140 mm×4 mm型H鋼帶，間排距為1 300 mm×2 000 mm，采用300 mm×300 mm×10 mm鋼托盤；每根錨索配合使用1支K2335、2支Z2360樹脂藥卷錨固，預(yù)緊力不得小于170 kN。

3.3 優(yōu)化后巷道變形監(jiān)測(cè)

通過優(yōu)化支護(hù)參數(shù)，提高了巷道圍巖的承載能力，改善了兩幫圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，巷道支護(hù)優(yōu)化后支護(hù)效果見表2，較原巷道布置和支護(hù)方案相比，頂?shù)装逡平拷档土?1.5%，兩幫變形量降低了69.2%，巷道圍巖的變形得到有效控制。

表2 巷道支護(hù)優(yōu)化效果

4 結(jié)論

(1)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)表明30503回風(fēng)順槽在掘進(jìn)期間頂板破碎區(qū)一般在4.5 m以淺，圍巖裂隙破碎區(qū)多且嚴(yán)重，幾乎沒有承載能力。迎采巷道掘進(jìn)后，圍巖變形速度快而且變形持續(xù)時(shí)間長，頂板最大下沉量可以達(dá)到400～450 mm。

(2)數(shù)值模擬研究表明2號(hào)煤遺留煤柱下方為應(yīng)力集中區(qū)，隨遠(yuǎn)離煤柱采動(dòng)應(yīng)力逐漸減小，在距離采空區(qū)20 m的位置應(yīng)力可以達(dá)到23 MPa。30503回風(fēng)巷掘進(jìn)后，巷道被破壞區(qū)包圍，強(qiáng)度大幅降低；加之較高的采動(dòng)應(yīng)力集中，是造成巷道大變形破壞的主要原因。分析了不同煤柱寬度時(shí)，回采巷道的變形情況，表明煤柱寬度為8 m時(shí)，巷道的變形量最小。此時(shí)，圍巖處于應(yīng)力降低區(qū)，圍巖塑性區(qū)較20 m煤柱時(shí)也大為減小。

(3)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，結(jié)合前期巷道支護(hù)方案，對(duì)巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，巷道頂?shù)装逡平拷档土?1.5%，兩幫變形量降低了69.2%，巷道圍巖的變形得到有效控制。