水城礦區(qū)煤層群開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及頂板控制技術(shù)

潘昌榮，李 利

(1.貴州省煤礦設(shè)計(jì)研究院，貴州貴陽550025;2.貴州泰安礦山技術(shù)咨詢服務(wù)公司，貴州貴陽550009)

水城礦區(qū)是我國十分重要的大型煤炭能源基地，區(qū)內(nèi)的多數(shù)生產(chǎn)礦井均含有多層距離比較近的可采煤層，煤層群開采方法以下行開采為主。對于近距離煤層群開采，下伏煤層在開采前頂板的完整程度易受上位煤層開采損傷影響，并且上位煤層開采后殘留的區(qū)段煤柱及一側(cè)采空的煤體在底板形成集中應(yīng)力，導(dǎo)致下位煤層開采區(qū)域的頂板結(jié)構(gòu)和應(yīng)力環(huán)境發(fā)生變化，從而使下位煤層開采與單一煤層開采相比出現(xiàn)了許多新的礦山壓力現(xiàn)象［1］。

許多的煤層群礦井開采活動已充分表明［2－3］，由于對煤層群開采所形成的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律沒有足夠的掌握，造成大量的巷道處于集中應(yīng)力帶而遭受其強(qiáng)大的集中應(yīng)力作用，使得巷道嚴(yán)重變形，維護(hù)困難，嚴(yán)重地阻礙了開采活動的正常進(jìn)行。因此，研究煤層群開采的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

為了研究水城礦區(qū)的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，從水城礦區(qū)內(nèi)各生產(chǎn)礦井選出一些具有代表性的巷道，并用頂板離層指示儀在井下設(shè)點(diǎn)觀測各巷道頂板的離層情況。采用生產(chǎn)試驗(yàn)與理論分析相結(jié)合的綜合研究方法，對井下巷道頂板離層情況的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，初步掌握水城礦區(qū)采準(zhǔn)巷道的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，充分認(rèn)識重疊煤柱和采空區(qū)邊界所形成的集中應(yīng)力對巷道造成的嚴(yán)重破壞，在此基礎(chǔ)上對水城礦區(qū)重疊煤柱作用下的巷道頂板控制技術(shù)，以及采空區(qū)邊界處的頂板控制技術(shù)進(jìn)行了分析，并取得了一些有益的結(jié)論。

1 實(shí)測巷道基本狀況

對水城礦區(qū)各礦井具有代表性的巷道基本情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并對巷道頂板的離層情況進(jìn)行實(shí)測，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 實(shí)測巷道基本狀況

2 水城礦區(qū)煤層群開采的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

2.1 實(shí)測巷道數(shù)據(jù)分析

對水城礦區(qū)內(nèi)所選的巷道頂板離層情況的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類和分析。首先將實(shí)測巷道按煤柱下方布置巷道、跨采不留設(shè)煤柱布置巷道和回采巷道分類。煤柱下方布置的巷道有南二采采區(qū)石門、平三采四片軌道石門、1376S運(yùn)輸石門、1376S軌道石門、1550東大巷、七采回風(fēng)上山、1484西運(yùn)巷、1460東瓦斯巷、四采軌道下山、一井運(yùn)輸下山、一井回風(fēng)下山、二井運(yùn)輸下山等;跨采不留設(shè)煤柱的巷道有平三采大巷、斜五采1505軌道石門、1441運(yùn)輸石門、1460東瓦斯巷、1484西三石門等;回采巷道有41112風(fēng)巷、6014風(fēng)巷等。其次，從所分類的巷道中選出一些實(shí)測數(shù)據(jù)做出巷道相對位移量與時間關(guān)系圖 (如圖1、圖2、圖3所示)。

圖1 南二采采區(qū)石門凈寬、凈高相對位移量與時間關(guān)系

圖2 平三采大巷凈寬、凈高相對位移量與時間關(guān)系

圖3 41112回風(fēng)巷凈寬、凈高相對位移量與時間關(guān)系

由以上巷道相對位移量與時間關(guān)系圖得出以下結(jié)論:

(1)南二采采區(qū)石門處于煤柱中心正下方，在垂直應(yīng)力作用下，頂板容易彎曲下沉，并且垂直應(yīng)力會向兩幫煤巖體轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致兩幫 (尤其是靠近頂板處)煤體被擠出，兩幫塑性區(qū)、破碎區(qū)會逐漸增大，此時會進(jìn)一步加劇頂板的下沉進(jìn)而導(dǎo)致兩幫更深處的煤巖體被擠出，如此惡性循環(huán)，頂板下沉量越來越多，兩幫被擠出的煤體也越來越多。同時，由于受重疊煤柱影響和11煤層采動影響，該巷道受到嚴(yán)重的破壞和變形，從圖1中可看到巷道的凈寬、凈高相對位移量變化很大。

(2)平三采大巷由于上方?jīng)]留設(shè)煤柱，從圖2中可看到巷道的凈寬、凈高相對位移量變化不大，巷道基本未發(fā)生破壞、變形。

(3)41112回風(fēng)巷由于受到北面41102回采工作面的采動影響，特別是處于煤層群重疊煤柱邊緣下方的一段巷道部分變形、破壞，從圖3中可看到41112回采工作面的巷道雖經(jīng)過加強(qiáng)支護(hù)，其凈寬、凈高相對位移量還是有較大的變化，造成巷道有一定的底鼓、變形。

2.2 煤層群開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

通過對井下巷道頂板的離層位移實(shí)測數(shù)據(jù)分析，可總結(jié)出水城礦區(qū)煤層群開采礦壓顯現(xiàn)的一般規(guī)律。

(1)采準(zhǔn)巷道上方或兩側(cè)留設(shè)煤柱的巷道圍巖變形規(guī)律為:留設(shè)煤柱的下方巷道變形速度較快，特別是重疊煤柱的下方巷道變形更加明顯;在變形加速區(qū)內(nèi)的巷道支架破壞較嚴(yán)重，巷道修復(fù)次數(shù)增加;采空區(qū)下方的巷道變形速度平緩，巷道支架保持較為完好，巷道容易維護(hù)。

(2)采準(zhǔn)巷道上方跨采不留設(shè)煤柱的圍巖變形規(guī)律為:留設(shè)煤柱的下方巷道圍巖變形速度較快，特別是重疊煤柱的下方巷道變形更加明顯;處于采空區(qū)下方的巷道圍巖變形速度平緩，巷道支架可免遭破壞，易于巷道的維護(hù);處于采空區(qū)下方的巷道不受重疊煤柱的集中應(yīng)力作用，巷道修復(fù)次數(shù)減少。

3 煤層群開采的巷道頂板控制

3.1 重疊煤柱作用下的巷道頂板控制

3.1.1 區(qū)段兩翼或采區(qū)之間殘留重疊煤柱作用下的巷道頂板控制

在區(qū)段兩翼或采區(qū)之間殘留重疊煤柱，極易形成大范圍“壓力拱”結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生強(qiáng)大的集中應(yīng)力，并且由于煤柱集中載荷向底板深處傳遞，巷道圍巖應(yīng)力高度集中，棚式支護(hù)和低強(qiáng)度錨桿支護(hù)往往容易失效，巷道不得不多次維修與翻修，圍巖穩(wěn)定性差，安全狀況得不到保證，影響回采工作面的快速推進(jìn)［4－5］，采區(qū)之間重疊煤柱的應(yīng)力分布如圖4所示。如在1550東大巷、南二采采區(qū)石門，水平大巷和采區(qū)石門由于受強(qiáng)大的集中應(yīng)力作用，對巷道造成的破壞特別嚴(yán)重，給巷道的維護(hù)帶來了極大的困難，這兩條巷道年維修次數(shù)一般在2～3次，才能勉強(qiáng)維護(hù)其巷道正常使用，在礦區(qū)內(nèi)還有許多這樣的例子。為了避免這種巷道破壞，最好能將殘留煤柱留設(shè)在不影響巷道變形的位置，即采用跨石門、跨大巷回采等開采方法，如斜五采1505軌道石門，把煤柱留設(shè)在石門不受煤柱集中應(yīng)力影響的位置上，使巷道處于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，以利于巷道維護(hù)，減少巷道的修復(fù)費(fèi)用的投入。

圖4 采區(qū)之間重疊煤柱的應(yīng)力分布

3.1.2 斷層重疊煤柱應(yīng)力集中作用下的巷道頂板控制

如果巷道處于斷層重疊煤柱集中應(yīng)力的作用下，由于地層受到地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動的影響，斷層附近的巖層非常破碎，并且存在一個易于滑動的面，這樣巷道將受斷層和重疊煤柱的雙重影響，巷道狀況十分惡劣，斷層重疊煤柱應(yīng)力分布如圖5所示。如1376S集中機(jī)軌巷，處于斷層下方的一段巷道嚴(yán)重變形、破壞，年修復(fù)次數(shù)高達(dá)3次。因此，在斷層附近開掘巷道，容易增加巷道的維護(hù)工程量，應(yīng)盡量避免在斷層附近開掘巷道。

圖5 斷層重疊煤柱應(yīng)力分布

3.1.3 重疊煤柱邊緣下方的巷道頂板控制

當(dāng)巷道位于重疊煤柱邊緣下方時，在水平應(yīng)力和剪切應(yīng)力的作用下，靠近煤柱邊緣下方的一幫煤體容易被擠出，導(dǎo)致頂板下沉量增加，而頂板下沉量增加會使垂直應(yīng)力向兩幫深部煤體轉(zhuǎn)移，進(jìn)一步加劇兩幫的移近，導(dǎo)致更深處的煤體被擠出，重疊煤柱邊緣下方巷道的應(yīng)力分布如圖6所示。因此，對于區(qū)段煤柱下方的巷道，頂板和兩幫 (尤其是靠近頂板處)均是保持巷道穩(wěn)定的關(guān)鍵部位，必須加強(qiáng)支護(hù)。如41112工作面回采巷道，處于煤層群重疊煤柱邊緣下方的一段巷道嚴(yán)重變形、破壞，年修復(fù)次數(shù)高達(dá)3次/a。

圖6 重疊煤柱邊緣下方巷道的應(yīng)力分布

通過數(shù)值模擬和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出在41112工作面回采巷道確定采用高強(qiáng)度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿(索)配合11號工字鋼鋼棚支護(hù)(頂棚中間配合單體液壓支柱的強(qiáng)力支護(hù))及時對重疊煤柱邊緣下方的巷道進(jìn)行支護(hù)，使頂板形成整體承載結(jié)構(gòu)，將垂直應(yīng)力盡可能多地轉(zhuǎn)移到兩幫深處的煤體，以控制頂板下沉和兩幫煤體被擠出。對于41112工作面回采巷道支護(hù)方案的選取，以經(jīng)濟(jì)有效、方便施工為原則，并通過數(shù)值模擬可以得到圖7、圖8、圖9，最終確定位于煤層群重疊煤柱邊緣下方的巷道支護(hù)方案。

由圖7可知，對于錨桿間排距為 800mm× 700mm時圍巖變形量較小，且再減小間排距對圍巖變形影響不大，故確定錨桿間排距為800mm× 700mm;由圖8可知，頂板下沉量、底鼓量、兩幫移近量在錨桿排距小于800mm時變化不大，在錨桿排距大于900mm時，急劇增加。因此，考慮控制巷道圍巖變形，煤柱下方應(yīng)力集中，確定錨桿排距為700mm;由圖9可知，頂板下沉量、底鼓量、兩幫移近量在棚距小于800mm時變化不大，在棚距大于900mm時，急劇增加。因此，考慮控制巷道圍巖變形，確定棚距為700mm。對于位于重疊煤柱邊緣下方的41112工作面回采巷道，最終確定采用錨桿和鋼棚聯(lián)合支護(hù)，具體方案是:錨桿每排3根，間距為800mm，排距為700mm;鋼棚棚距為700mm。

圖7 錨桿間距對圍巖變形的影響

圖8 圍巖變形與錨桿排距關(guān)系

圖9 鋼棚棚距對圍巖變形的影響

實(shí)踐表明，頂板以及兩幫煤體在高強(qiáng)、高預(yù)緊力錨桿及時支護(hù)后，處于受壓狀態(tài)，改善了頂板及兩幫表面煤體受力狀態(tài)，能夠抑制頂板及兩幫煤體變形，最大限度地保持頂板及兩幫錨固區(qū)煤體的完整性，減小錨固區(qū)頂板及煤體強(qiáng)度的降低，使頂板及兩幫煤體成為承載體，將圍巖應(yīng)力向其深處轉(zhuǎn)移，從而使巷道圍巖趨于穩(wěn)定。

3.2 采空區(qū)邊界處的頂板控制

開采煤層群易于在采空區(qū)四周形成大范圍的“壓力拱”結(jié)構(gòu)，在“壓力拱”的支承點(diǎn)位置形成強(qiáng)大的集中應(yīng)力，這就使采空區(qū)邊界煤柱 (體)中應(yīng)力高度集中，且向底板深處傳遞［6］。而于煤柱(體)對上覆巖層的支撐作用，煤柱(體)邊緣的采空區(qū)內(nèi)應(yīng)力低于原巖應(yīng)力，使得煤柱 (體)與采空區(qū)交界處底板應(yīng)力呈非均勻分布。在非均勻應(yīng)力的作用下，煤柱 (體)與采空區(qū)交界處底板巖層將發(fā)生相應(yīng)的變形，以適應(yīng)圍巖應(yīng)力環(huán)境，從而在交界處底板巖層中形成拉伸破裂區(qū)、剪切滑移區(qū)，且在垂直方向上，深度越小，破壞越嚴(yán)重。

根據(jù)工程現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，在水平方向上，從煤柱(體)下方距交界處正下方約3.0～5.0m開始直至過交界處正下方進(jìn)入采空區(qū)下方約5～8m的范圍內(nèi)，底板破壞最為嚴(yán)重。當(dāng)?shù)装逑锏谰蜻M(jìn)工作面從交界處下方通過時，由于其頂板在集中應(yīng)力作用下被破壞，容易離層、冒落，如果得不到有效支護(hù)，冒落范圍變大后頂板將與上覆采空區(qū)溝通，導(dǎo)致更大范圍的漏頂、垮頂;另外由于煤柱 (體)的支撐作用，回采工作面兩端垮落巖石受煤柱支撐作用影響重新膠結(jié)不實(shí)，存在較大空隙，傳統(tǒng)樹脂錨固錨桿無法在采空區(qū)內(nèi)有效錨固，支護(hù)較為困難。同時，受開采煤層群的采動影響，煤柱邊緣的部分采空區(qū)底板遭到破壞，原有構(gòu)造裂隙發(fā)展、擴(kuò)大，成為采空區(qū)積水向底板深部滲流的通道，使更大范圍的底板被積水浸泡，強(qiáng)度大大降低。由于水城礦區(qū)的部分煤層群層間距極薄，當(dāng)巷道掘進(jìn)至此時，頂板會出現(xiàn)淋水且容易冒落。如1460東瓦斯巷雖采用U型鋼支護(hù)，但仍造成巷道變形嚴(yán)重的后果。

4 結(jié)論

通過對井下巷道頂板離層情況的實(shí)測和分析，可得出以下結(jié)論:

(1)初步掌握水城礦區(qū)煤層群開采礦壓顯現(xiàn)的一般規(guī)律。

(2)在煤層群開采中，殘留的重疊煤柱和采空區(qū)邊界所形成的強(qiáng)大集中應(yīng)力，對其下方的巷道影響很大，并對巷道造成嚴(yán)重破壞，圍巖移近量大，破碎區(qū)較大，巷道支護(hù)困難，增加巷道的維護(hù)工作量。

(3)工程實(shí)踐表明，采用高強(qiáng)度錨桿 (索)和棚式聯(lián)合支護(hù)技術(shù)能夠有效控制重疊煤柱邊緣下方的回采巷道的圍巖變形。

［1］錢鳴高，石平五，許家林.礦山壓力與巖層控制［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2010.

［2］李紅濤，齊黎明.煤層 (群)安全上行開采的探討［J］.煤礦安全，2013，44(5):199－201.

［3］袁安營，周國峰，張林良，等.煤層群傾斜煤柱支承壓力分布及傳播規(guī)律研究［J］.現(xiàn)代礦業(yè)，2012，12(12):12－16.

［4］邢?？?，蔡 坫，劉玉堂.煤礦支護(hù)手冊［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1993.

［5］陳炎光，陸士良.中國煤礦巷道圍巖控制［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1994.

［6］張科學(xué).深部煤層群沿空掘巷護(hù)巷煤柱合理寬度的確定［J］.煤炭學(xué)報，2011(S1):28－36.