區(qū)段煤柱下回采巷道圍巖變形特征與控制技術

孟 杰

（同煤集團四臺礦，山西 大同 037003）

煤炭作為儲量豐富、成本低廉的一種工業(yè)原料，被廣泛應用于發(fā)電、冶金等行業(yè)。近年來，雖然國家進行能源結構調整，但煤炭的主體能源地位不會改變[1-2]。煤炭持續(xù)開采造成條件賦存較好的資源逐漸開采殆盡，近距離煤層開采逐漸得到關注[3]。由于地質構造運動導致煤層間的距離存在差異性，當煤層距離較近時，上煤層開采會擾動下煤層的穩(wěn)定。由于煤層開采形成的采空區(qū)或保護煤柱巖梁結構，導致采空區(qū)圍巖應力調整，產生應力升高區(qū)和降低區(qū)；若煤層間距較小，將造成下伏煤層頂板擾動破壞，巷道嚴重變形、支護體失效而誘發(fā)巷道片幫、冒頂事故，甚至溝通上覆采空區(qū)造成嚴重的漏風現象，直接影響礦井安全高效生產[4-5]。此時，常規(guī)的支護理論具有一定的局限性，因此研究區(qū)段煤柱下回采巷道圍巖變形特征與控制技術，具有一定的現實意義。

1 工程概況

四臺礦12#煤層82152 工作面北部為402 輔盤區(qū)8201 面采空區(qū)，其它區(qū)域未開拓，工作面上覆11#煤層82151 面采空區(qū)，與11#煤層間距最小10.5 m，最大14.2 m，平均12.6 m。2215 巷為82152 工作面運輸巷，矩形斷面（寬×高=4.5 m×2.7 m）。2215 巷穿過11#煤層82151 區(qū)段保護煤柱，保護煤柱寬20 m。12#煤層直接頂為粗砂巖，巖層厚度3.5～10.35 m，平均厚度6.91 m，灰色成份以石英為主，次為長石，硬質比重較大；基本頂為粉細砂巖互層結構，巖層厚度5.52～6.31 m，平均厚度5.92 m，交錯層理，細砂成份以石英為主，含云母片及植物化石，垂直內生節(jié)理發(fā)育；直接底為粗砂巖，巖層厚度0.55～2.05 m，平均厚度1.30 m，灰白色，頂部為細砂巖，成份為石英長石分選較好，局部夾煤線。

2 區(qū)段煤柱下巷道圍巖穩(wěn)定性分析

下工作面開采過區(qū)段煤柱時，將遇到兩種覆巖結構。一種是頂板巖層非鉸接結構，若區(qū)段煤柱覆巖處于鉸接失穩(wěn)結構，則工作面將受到動載影響，易誘發(fā)巷道大變形現象。另外一種則存在著頂板鉸接結構，在工作面回采時逐漸失穩(wěn)而誘發(fā)的動載礦壓現象[6]。本文主要分析頂板巖層處于鉸接結構時煤柱巷道圍巖的穩(wěn)定性。工作面進煤柱、過煤柱、出煤柱覆巖結構見圖1（a）、（b）、（c）。工作面進煤柱為工作面從采空區(qū)開始進入區(qū)段煤柱到完全進入區(qū)段煤柱下方；工作面過煤柱為工作面整體在區(qū)段煤柱下方；工作面出煤柱為工作面從區(qū)段煤柱開始進入采空區(qū)到完全進入采空區(qū)下方。

圖1 區(qū)段煤柱下覆巖結構

如圖1中（a）～（c）所示，巷道頂板巖層形成鉸接結構，其穩(wěn)定程度主要受斷裂巖塊和巖層間存在的剪切力影響，若煤柱上方未斷裂頂板巖層（A塊）越大，斷裂巖塊（B塊）受到的水平推力越大，其發(fā)生滑落失穩(wěn)的可能性較低，但是較大的水平推力，易造成巖塊擠壓破碎，發(fā)生回轉失穩(wěn)，從而引起巷道出現動載礦壓現象；回采巷道處于區(qū)段煤柱支承應力影響范圍內，隨著回采工作進行，下煤層頂板周期性破斷誘發(fā)上煤層采空區(qū)鉸接結構失穩(wěn)，煤柱大規(guī)模垮落失穩(wěn)，采空區(qū)失穩(wěn)空間增加，在工作面回采時易出現動載礦壓；由于區(qū)段煤柱支承應力的影響，在工作出煤柱時，由于下煤層頂板巖層穩(wěn)定性較差，頂板巖層結構提前破斷，周期來壓步距減小，煤柱處于失穩(wěn)狀態(tài)，當工作面推進至破斷位置時，出現耦合破斷，造成強烈礦壓現象。綜上所述，在工作面出煤柱時，其回采巷道受到的影響最為嚴重，回采過程中應進行超前加強支護[6]。

3 回采巷道圍巖控制技術

巷道采用錨網索主動支護進行永久支護。在過區(qū)段煤柱時，通過縮減錨桿間排距，同時增設單體液壓支柱配合工字鋼梁提高區(qū)段煤柱下回采巷道的穩(wěn)定性，具體參數如下：

1）永久支護。永久支護采用錨桿、錨索配合鋼帶進行聯合支護。錨桿直徑20 mm、長度2.0 m，間排距為1 000 mm×1 000 mm，每排5 根；錨桿采用W型鋼帶連接，W型鋼帶型號為4 400 mm×280 mm×4 mm，錨桿配120 mm×120 mm×10 mm的方鐵板，錨桿預緊扭矩不低于150 N·m。錨索直徑17.8 mm、長度8.3 m，間排距為1 500 mm×3 000 mm，每排2 根；錨索配250 mm×250 mm×16 mm的方鐵板和專用的鎖具，錨索預緊力不低于35 MPa。

2）區(qū)段煤柱下加強支護。區(qū)段煤柱下及進區(qū)段煤柱20 m 外和出區(qū)段煤柱40m 范圍內（共計80 m），錨桿規(guī)格不變，間排距縮減為800 mm×800 mm，錨桿預緊扭矩不低于200 N·m；錨索規(guī)格不變，間排距縮減為1 200 mm×2 000 mm，每排3根，錨索預緊力不低于35 MPa；采用單體支柱鉸接頂梁加強支護，單體支柱型號為DW31.5-200/100，頂梁采用DFB1000（2100 和2800）/300C型花邊梁，一梁三柱，柱距800 mm，間距按照巷道具體條件布置；單體支柱設有防倒、防墜裝置，垂直于頂板架設，初撐力不低于18 MPa。

圖2給出了區(qū)段煤柱下加強支護區(qū)域巷道支護斷面圖。

圖2 加強支護區(qū)域巷道支護斷面

4 觀測結果分析

該圍巖控制技術應用于四臺礦12#煤層8215工作面運輸巷，采用十字測試法監(jiān)測巷道表面變形情況，采用頂板離層儀監(jiān)測頂板離層現象。

圖3中采空區(qū)下回采巷道掘進30 d內頂底板最大移近量為18 mm，兩幫最大移近量為21 mm，其中初掘5 d內巷道變形速度相對最快，該區(qū)域范圍內巷道整體變形相對較小。而區(qū)段煤柱下回采巷道掘進30 d內頂底板最大移近量為44 mm，兩幫最大移近量為53 mm，相對采空區(qū)下巷道變形增加了1 倍以上。圖4給出了巷道離層曲線圖，區(qū)段煤柱下回采巷道頂板離層為采空區(qū)下的2 倍以上，區(qū)段煤柱下回采巷道頂板離層最大為24 mm，位于巷道掘進14 d時；而采空區(qū)下回采巷道頂板離層僅為9 mm。綜上表明，采空區(qū)下巷道圍巖受支承應力擾動較小，圍巖控制效果良好，而區(qū)段煤柱下巷道受支承應力擾動較大，巷道維護相對困難，變形量相對較大。但整體看，巷道圍巖變形均較小，巷道圍巖穩(wěn)定得到有效控制，表明了控制技術和參數的合理性和優(yōu)越性。

圖3 巷道表面變形曲線

圖4 巷道離層曲線

5 結語

上煤層開采形成的采空區(qū)或區(qū)段煤柱巖梁結構，導致圍巖應力調整，對下伏煤層穩(wěn)定性產生擾動，尤其是區(qū)段煤柱下回采巷道極易產生大變形現象。為此，分析了工作面進煤柱、過煤柱、出煤柱覆巖結構穩(wěn)定性及其對回采巷道礦壓影響。基于此，采用錨網索+單體綜合支護技術控制區(qū)段煤柱下回采巷道圍巖，現場監(jiān)測了采空區(qū)及區(qū)段煤柱下巷道變形和離層現象。結果表明，區(qū)段煤柱下回采巷道變形和離層均比采空區(qū)下巷道變形和離層大，整體看，巷道圍巖變形和離層均較小，證明了控制技術和參數的合理性和優(yōu)越性。