近距離煤層采空區及煤柱下巷道分區支護研究

張曉亮 宋選民 劉 成

(1. 太原理工大學原位改性采礦教育部重點實驗室，山西省太原市，030024；2. 山西介休義棠城峰煤業有限公司，山西省晉中市，030600)

傳統的煤炭開采一般采用下行開采順序，對于近距離煤層，上層煤開采之后，受頂板垮落及區段煤柱的作用，采空區及區段煤柱下的應力狀態重新分布[1-2]，煤柱應力向底板傳遞，改變下層煤頂底板的圍巖應力條件，下層煤頂板受到不同程度的破壞，使圍巖受力復雜、支護難度大，巷道支護及維修成本高，不利于礦井安全高效生產。國內對近距離煤層一般將回采巷道布置于區段煤柱下方的應力降低區[3]，回采巷道一般與上覆區段煤柱平行。國內外學者對于下層巷道布置方式(與區段煤柱的錯距)及支護方式進行過很多研究[4-6]，也取得相當不錯的成果。

對于回采巷道垂直或斜交上覆煤層區段煤柱且區段煤柱寬度和煤層間距不均勻的情況，巷道掘進過程中要不斷進出區段煤柱下方區域，且受工作面采動影響嚴重[7]。下層巷道支護面臨的主要問題包括：垂直應力和水平應力集中明顯，頂板易發生彎曲下沉；巷道圍巖裂隙發育，頂板完整性遭到破壞，自承能力下降；煤柱應力和采動應力疊加使巷道維護難度增大[8]。因此，為減輕上覆采空區及區段煤柱的影響，回采巷道處于上覆區段煤柱的影響范圍內時，應采取措施加強巷道的支護。根據不同圍巖應力條件和所受的動壓情況，進行分源控制、分區支護、主動支護，確保巷道掘進及回采安全。采用數值模擬手段，研究不同寬度區段煤柱下回采巷道的應力分布及變形規律，并依此對巷道進行分區，對巷道受掘進及采動影響下的支護進行研究，為采空區及區段煤柱下回采巷道支護提出合理的建議。

1 工程概況

山西城峰煤業井田西南部為10#煤層和11#煤層合并區，合并后10#煤層厚度為3.65～8.35 m，平均7.4 m，煤層傾角為6°～8°，煤層埋藏深度為350～390 m，煤層含多層夾矸，屬簡單結構煤層，穩定可采。合并區內10#煤層采用走向長臂采煤方法，回采工藝為綜放開采，工作面長度164 m，采高2.8 m，采用全部垮落法管理頂板，煤層頂底板為砂質泥巖。根據現場調研情況及現場窺視結果，該區域合并區內10#煤層開采存在以下特點：

(1)9#煤層已經采空，采空區之間區段煤柱寬度為15～30 m；

(2)鉆孔窺視結果顯示9#煤層采空之后，采空區底板的破壞深度為1.0～2.0 m；

(3)10#煤層與9#煤層間距變化較大，且層間距不均勻；

(4)10#煤層頂板之上0～7 m范圍內為比較穩定的巖層，煤層頂板以泥巖和砂質泥巖為主。

10#煤層工作面回采巷道沿煤層底板布置，與9#煤層區段煤柱垂直。10#煤層工作面回采巷道及9#煤層采空區的相對位置關系見圖1。受上覆9#煤層采空區及區段煤柱的影響，10#煤層巷道頂板應力狀態受到破壞，10#煤層工作面回采巷道要不斷橫穿上覆區段煤柱，10#煤層工作面回采巷道圍巖存在不同程度的應力集中現象，且受10#煤層工作面采動影響，巷道非工作幫的應力集中及巷道變形比較明顯。針對9#煤層和10#煤層的賦存情況，對10#煤層工作面回采巷道的應力狀態和支護方式進行研究。

2 模型的建立及模擬方案

采用Flac3D數值模擬結合Tecplot分析軟件，在9#煤層采空的情況下，對不同寬度區段煤柱下方的應力分布、10#煤層回采巷道受采動影響時巷道圍巖的應力、位移量、破壞范圍進行分析，給出回采巷道合理的支護方案。

2.1 數值模型的建立

本次數值模擬9#煤層厚度為1.3 m，10#煤層厚度為7.4 m，層間距10 m，建立三維數值模型尺寸為320 m×210 m×100 m，共劃分390432個單元、409317個節點。模型的三維立體圖見圖2。模型4個側面及底部為固定邊界，頂部施加垂直應力(按10#煤層最大埋深380 m考慮)，側壓系數取1.1。模型中各地層的參數見表1。

表1 模型各地層的物理參數

圖2 三維數值模型圖

2.2 數值模擬方案及過程

(1)數值模擬時先進行9#煤層工作面的回采開挖，9#煤層區段煤柱寬度設置4個方案，分別取15 m、20 m、25 m、30 m，如圖3所示，9#煤層回采之后運算至平衡；分析不同寬度區段煤柱寬度時，9#煤層區段煤柱內及其下方10#煤層的應力分布規律。

圖3 開挖模擬方案示意圖

(2)進行10#煤層工作面回采巷道掘進及工作面回采(10#煤層工作面為綜放開采，采高2.8 m，工作面長度164 m，區段煤柱寬度25 m)；以受兩次采動影響的工作面回風巷為研究對象，結合9#煤層區段煤柱下方的應力分布規律，對不同區段的回采巷道的支護參數進行分區設計優化，并對其支護效果進行數值模擬驗證。

3 區段煤柱下應力分布規律數值研究

利用數值模擬方法，結合9#煤層和10#煤層的層間距，研究9#煤層開采之后不同寬度區段煤柱時10#煤層頂板的應力分布狀態。

9#煤層未開采時，10#煤層頂板的原巖應力約為9.7 MPa。9#煤層被長臂采空，工作面之間區段煤柱寬度為15 m、20 m、25 m、30 m。9#煤層開采之后，區段煤柱所承受的應力向底板傳遞，10#煤層頂板的應力狀態重新分布，9#煤層采空區下方巖層的應力得到釋放；9#煤層區段煤柱所受應力向底板傳遞，導致10#煤層工作面回采巷道頂板應力集中。將Flac 3D數值模擬結果導入Tecplot，得到不同寬度區段煤柱下方10#煤層及其頂板的應力分布等值線圖見圖4；不同寬度區段煤柱下方10#煤層巷道頂板垂直應力變化曲線見圖5。

由圖4可知，位于采空區下方的10#煤層頂板垂直應力由原巖應力(9.7 MPa)降低為3～5 MPa，為原巖應力的30%～50%。從應力的角度分析，位于9#煤層采空區下方的巷道處于應力降低區，在巷道頂板完整性較好的情況下，有利于巷道的維護。

圖4 不同寬度區段煤柱下方應力分布

圖5 10#煤層巷道頂板垂直應力變化曲線

對比圖4不同寬度區段煤柱下圍巖的應力等值線分布并結合圖5可得出以下研究結論：

(1)15 m煤柱由于其寬度較小，在區段煤柱內形成“單核”應力集中區；

(2)20 m、25 m、30 m區段煤柱內形成“雙核”應力集中區；

(3)結合圖5分析可知，區段煤柱下方的圍巖的垂直應力均超過原巖應力，且應力增高區影響范圍已經超過區段煤柱寬度；

(4)區段煤柱中心線正下方應力最大，10#煤層頂板垂直應力為18～22 MPa，應力集中系數為2～2.5；

(5)隨著煤柱寬度的增大，10#煤層頂板對應位置的垂直應力也逐漸變小。

由圖5可以看出，9#煤層不同寬度區段煤柱影響的應力增高區范圍不同。不同寬度區段煤柱的應力分布情況見表2。

表2 不同寬度區段煤柱應力分布情況統計表

結合圖5和表2可以看出：

(1)與原巖應力(9.7 MPa)相比，不同寬度區段煤柱應力集中范圍分別為33 m、35 m、38 m、41 m，其與煤柱寬度的比值為2.2、1.75、1.52、1.37；

(2)除去煤柱寬度，分別在進出煤柱9 m、7.5 m、6.5 m、5.5 m范圍內的應力相對比較集中，煤柱寬度越大，煤柱前后的影響范圍越小；

(3)與采空區應力(最大5 MPa)相比，不同寬度區段煤柱前后21.5 m、15 m、14.4 m、14.6 m 范圍內的應力較大。

綜合不同寬度的區段煤柱的應力分布情況，10#煤層回采巷道與9#煤層區段煤柱垂直布置時，受上覆9#煤層采空區和區段煤柱的影響，按照10#煤層巷道頂板的不同應力狀態，將10#煤層工作面回采巷道分為應力降低區(≤5 MPa)、應力增高區(5～9.7 MPa)、應力集中區(≥9.7 MPa)3個應力區，如圖6所示(距離的正負分別表示煤柱兩側距離煤柱中心線的距離)。10#煤層回采巷道不同應力分區距離煤柱中心線的距離分別為≥35 m、20～35 m、0～20 m。

圖6 回采巷道應力分區示意圖

4 回采巷道分區支護研究

4.1 回采巷道分區支護設計

工作面回采巷道穩定性受煤柱應力、巷道掘進、工作面回采、二次采動等因素的影響，其中二次采動對巷道穩定性的影響最劇烈。結合該礦的實際情況，對于10#煤層不同應力區段的巷道支護，應遵循一次主動支護、高強度低密度、經濟合理性等原則，結合巷道所處的應力環境和變形特征進行分區、分源、主動支護。從巷道圍巖應力分析，為使巷道在受工作面采動影響時保持較好的穩定性，當巷道處于應力增高區和應力集中區時，應針對巷道的不同應力和頂底板條件采用不同的巷道圍巖支護方案。

10#煤層工作面回風巷受相鄰工作面和本工作面兩次采動影響，破壞嚴重且服務年限比較長，故本次分區支護研究以工作面回風巷為例，對9#煤層20 m區段煤柱下回采巷道的穩定性進行研究。工作面回風巷沿煤層底板掘進，矩形斷面，斷面尺寸為3.9 m×2.8 m。

對于工作面回風巷不同的應力分區，分別給出3種不同的支護方案，不同支護方案區別在于巷幫的支護強度：采空區下方巷道即應力降低區，幫錨桿間排距為1000 mm×900 mm；應力增高區增加巷幫支護密度，幫錨桿間排距變為800 mm×900 mm；考慮到應力集中區應力集中現象明顯，且受兩次采動影響嚴重，幫錨桿間排距變為800 mm×900 mm，并在非工作幫增加幫錨索加強支護。巷道不同分區的支護方案見表3。

表3 工作面回風巷分區支護方案表

4.2 巷道分區支護數值模擬結果

當巷道位于區段煤柱下方且受兩次采動影響時，巷道受力最復雜，巷道圍巖控制難度最大。采用應力集中區加強支護方案，巷道掘進及兩次采動影響時期的穩定狀態圖見圖7(圖中巷道左側為工作幫，右側為煤壁幫)。應力集中區巷道各時期垂直應力見圖8。

圖7 應力集中區巷道各時期塑性區分布

圖8 應力集中區巷道各時期垂直應力

由圖7和圖8可以看出，巷道掘進時期圍巖穩定性較好，塑性區破壞較少，巷道應力集中于巷道兩幫，呈對稱分布，巷幫應力集中系數為2.4。相鄰工作面回采之后，垂直應力集中于非工作幫的煤壁內，對巷道工作幫的影響比較明顯，巷幫破壞深度約為1.0 m；由于煤柱幫錨索的作用，煤柱幫的塑性破壞較小，破壞深度為0.5～1.0 m，巷道圍巖整體處于穩定狀態；巷道圍巖變形量較小。受本工作面超前采動影響時，巷道工作幫及底板破壞比較明顯，巷道工作幫煤壁破壞深度增加0.5 m，局部區域幫部破壞延伸到巷道頂板；煤柱幫由于錨索的加強支護，本工作面采動時巷幫破壞無明顯增加，巷道工作幫變形量約為煤柱幫變形量的1.4倍，巷道整體比較穩定。應力集中區巷道加強支護，尤其是煤柱幫錨索加強支護效果明顯，能較好控制應力集中區的巷道圍巖。

5 研究結論

(1)回采巷道垂直上覆區段煤柱時，區段煤柱下方應力均超過原巖應力，煤柱中心線正下方應力最大，且隨著煤柱寬度的增大，巷道頂板對應位置應力越小；區段煤柱越寬，應力集中區與煤柱寬度的比值越小。

(2)依據10#煤層回采巷道頂板所受垂直應力，將巷道分為應力降低區、應力增高區、應力集中區3個應力區，分區距離煤柱中心線距離分別為≥35 m、20～35 m、0～20 m。

(3)針對不同的巷道應力分區、采動影響情況等因素，考慮到巷幫應力集中現象明顯，對應力增高區、應力集中區巷道幫部采取減小幫錨桿間排距并增加幫錨索的加強支護方式，能較好地控制區段煤柱下方的巷道圍巖。