殘采工作面回采動(dòng)壓對(duì)下覆巷道圍巖穩(wěn)定性影響研究

牛國(guó)星,丁新啟

(中煤平朔集團(tuán)有限公司，山西 朔州 036000)

隨著開(kāi)采強(qiáng)度的不斷增加,淺部煤炭資源更加稀缺,淺部煤炭資源在回采中因采掘部署、開(kāi)采工藝、設(shè)備等因素影響,留下諸多三角煤等殘采煤炭資源[1]。以中煤平朔井工一礦為例,礦井主采煤層為9#煤層,礦井剩余服務(wù)年限為3～5 a,礦井煤炭資源逐漸枯竭。為了提高煤炭回收率,減少煤炭浪費(fèi),迫切需要對(duì)上覆4#煤層殘留煤炭資源進(jìn)行回收,然而殘采煤炭資源回采產(chǎn)生的動(dòng)壓會(huì)對(duì)9#煤層現(xiàn)有采煤、運(yùn)輸系統(tǒng)產(chǎn)生影響[2-7],是目前迫切需要解決的問(wèn)題。

1 開(kāi)采區(qū)域圍巖賦存環(huán)境

1.1 殘采工作面概況

井工一礦殘采工作面位于4#煤層,殘采工作面布置回采時(shí)充分利用已有4#煤層大巷系統(tǒng),工作面走向沿太西采區(qū)4#煤層大巷布置,4#煤層主運(yùn)大巷作為殘采工作面運(yùn)輸順槽,向西176 m新掘順槽作為殘采工作面的回風(fēng)巷,走向長(zhǎng)度529 m,殘采工作面寬度176 m,工作面切眼沿14111輔運(yùn)巷布置,殘采工作面平面布置圖，如圖1所示。4#煤層平均厚度為8.39 m,9#煤層的平均厚度為12.71 m。根據(jù)礦井太西采區(qū)鉆孔綜合柱狀圖可知,4#煤層底板與9#煤層頂板間巖石平均間距為35.82 m,9#煤層大巷位于4#煤層主運(yùn)大巷正下方,預(yù)計(jì)4#煤層的回采會(huì)對(duì)9#煤層大巷及回采工作面產(chǎn)生顯著影響。

圖1 礦井殘采工作面平面布置圖Fig.1 Layout of residual mining face

2 上覆工作面回采影響區(qū)域確定

2.1 殘采工作面布置對(duì)4#煤層現(xiàn)有巷道的影響范圍

殘采工作面推進(jìn)方向?qū)㈩l繁穿過(guò)與回采方向正交、斜交布置的4#煤層現(xiàn)有巷道。殘采工作面切眼至設(shè)計(jì)停產(chǎn)線位置范圍內(nèi)與工作面推進(jìn)方向垂直布置的現(xiàn)有4#煤層工作面順槽共計(jì)660 m,各種聯(lián)絡(luò)巷340 m,硐室、交叉點(diǎn)等196 m,累計(jì)穿過(guò)4#煤層空巷長(zhǎng)度1 196 m(不含4#煤層輔運(yùn)大巷)。為保證殘采工作面的安全高效回采,必須對(duì)受工作面超前應(yīng)力影響的現(xiàn)存巷道采取加強(qiáng)支護(hù)措施,以滿(mǎn)足巷道圍巖抵抗工作面超前應(yīng)力影響的需要。

2.2 工作面布置對(duì)9#煤層現(xiàn)有巷道的影響范圍

9#煤層巷道位于殘采工作面下方,現(xiàn)存的9#煤層巷道布置復(fù)雜,影響區(qū)域涉及正在回采的19110工作面順槽、工作面對(duì)應(yīng)機(jī)頭調(diào)車(chē)硐室、交叉點(diǎn)等。據(jù)統(tǒng)計(jì),受殘采工作面回采影響的9#煤層區(qū)域正在使用的巷道長(zhǎng)度為2 954 m。

由上述分析可知,殘采工作面的回采會(huì)對(duì)9#煤層太西采區(qū)3條采區(qū)大巷、采區(qū)變電所等永久巷道與硐室產(chǎn)生影響,需要在了解原支護(hù)狀況并且對(duì)回采動(dòng)壓影響程度進(jìn)行預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上,在殘采工作面回采前,采取巷道圍巖加固與支護(hù)措施,降低因殘采工作面回采動(dòng)壓而造成的9#煤層采區(qū)永久巷道的變形破壞。

3 殘采工作面回采對(duì)底板巖層應(yīng)力影響分析

3.1 煤層采動(dòng)底板應(yīng)力傳遞規(guī)律分析

煤層開(kāi)采前,底板巖體處于自然應(yīng)力平衡狀態(tài),即原位應(yīng)力。根據(jù)井工一礦巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測(cè)試結(jié)果可知,9#煤層的最大水平主應(yīng)力為12.72 MPa,垂直主應(yīng)力為6.9 MPa,最小水平主應(yīng)力為6.95 MPa。根據(jù)相關(guān)判定標(biāo)準(zhǔn),該區(qū)域最大水平主應(yīng)力為中等應(yīng)力,應(yīng)力較高,加大了巷道自身的維護(hù)難度。

對(duì)于距離比較近的煤層,上部煤層殘留煤柱形成的集中應(yīng)力也將會(huì)向下部煤層傳遞和擴(kuò)散[8-10]。當(dāng)上覆4#煤層開(kāi)采后,底板巖體應(yīng)力場(chǎng)的初始平衡狀態(tài)被破壞,導(dǎo)致應(yīng)力重新分布,煤層開(kāi)采后工作面周?chē)膽?yīng)力分布如圖2所示。在回采工作面前方和側(cè)向煤壁中會(huì)形成支承壓力集中區(qū),并向底板傳遞,而且一般狀況下煤層底板最大應(yīng)力沿煤壁前傾70°左右向底板擴(kuò)散。當(dāng)下部煤層巷道對(duì)于上部煤層形成的支承壓力在底板傳遞至影響區(qū)域時(shí),巷道維護(hù)難度將非常大,而在采空區(qū)下方會(huì)形成應(yīng)力降低區(qū),有利于巷道的維護(hù)。

圖2 煤層走向采場(chǎng)及底板應(yīng)力場(chǎng)分布狀態(tài)示意圖Fig.2 Stress field distribution in coal seam strike stope and floor

3.2 采動(dòng)底板巖體受力狀態(tài)規(guī)律分析

礦山開(kāi)采條件下,底板巖體承受三向壓應(yīng)力。在工作面推進(jìn)過(guò)程中,煤體支承壓力沿推進(jìn)方向的變化將依次經(jīng)歷正常地應(yīng)力、最大支承壓力、卸壓和應(yīng)力恢復(fù)4個(gè)階段,即:

(1)

式中:K為應(yīng)力集中系數(shù);ε為應(yīng)力恢復(fù)系數(shù);γ為巖層容重,kN/m3;h為采高,m。

1)煤層開(kāi)采后,礦井壓力引起的底板破壞主要是由于壓力剪切作用引起的,而后發(fā)剪切裂隙是以原生裂隙在巖體中的擴(kuò)展、演化和連續(xù)貫入為基礎(chǔ)的,最終導(dǎo)致底板巖體破裂。

2)隨著煤層工作面的推進(jìn),采空區(qū)增大,底板前后支護(hù)壓力逐漸增大,一般表現(xiàn)為采空區(qū)越大,支護(hù)壓力越大。底板承載力隨深度的增加呈非線性下降趨勢(shì)。

3)剪應(yīng)力主要集中在煤壁兩端底板中,其對(duì)損傷型底板的破壞程度最大,對(duì)完整型底板最小。

當(dāng)?shù)装鍘r體處于承載壓力的影響范圍內(nèi)時(shí),巖體中容易發(fā)生壓力剪切破壞和裂隙。同時(shí)巖體中的原生裂隙也受支承壓力的影響,可以相互發(fā)展和連接,從而破壞底板巖體。

3.3 底板采動(dòng)破壞深度預(yù)測(cè)

通過(guò)對(duì)9#煤層開(kāi)展底板采動(dòng)破壞深度微震實(shí)時(shí)獲取與動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)等相關(guān)研究,根據(jù)回采工作面的微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果,計(jì)算出現(xiàn)場(chǎng)底板采動(dòng)破壞的實(shí)測(cè)深度。為了減小誤差,采用不同開(kāi)采階段底板開(kāi)采最大破壞深度的平均值參與計(jì)算。具體數(shù)據(jù)樣本見(jiàn)表1。

表1 底板采動(dòng)最大破壞深度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of the maximum failure depth of mining floor

根據(jù)研究成果,總結(jié)出了適用于井工一礦的底板強(qiáng)度破壞深度預(yù)測(cè)公式:

(2)

式中:γ為上覆巖層容重,取2 200 kg/m3;α為抗壓強(qiáng)度比(抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值);θ為極角,(°);pc為底板巖層抗壓強(qiáng)度,MPa;hcs為采深,m;L為工作面斜長(zhǎng),m。

根據(jù)井工一礦殘采工作面地質(zhì)概況和圍巖地質(zhì)測(cè)試結(jié)果可知,殘采工作面的走向長(zhǎng)度529 m,殘采工作面寬度176 m,拉壓強(qiáng)度比值為1/8,極角度70°,采深280 m,底板巖層抗壓強(qiáng)度為35 MPa,經(jīng)計(jì)算得出底板強(qiáng)度破壞深度為42.73 m。目前井工一礦4#煤層底板同9#煤層的層間距在31.24～43.70 m之間,平均35.61 m,可見(jiàn)上部上覆4#煤層殘采工作面回采對(duì)9#煤層巷道頂板錨索支護(hù)范圍內(nèi)的圍巖穩(wěn)定性及完整性造成了一定程度的破壞。殘采工作面對(duì)于下部工作面的影響主要是上部工作面回采后遺留煤柱對(duì)下部巷道的影響,目前19112輔運(yùn)順槽位于上部14111和14112工作面采空區(qū)相鄰煤柱下方,巷道在服務(wù)期間礦壓顯現(xiàn),部分地段出現(xiàn)了明顯的底鼓變形,如圖3所示。

圖3 19112輔運(yùn)巷底鼓變形圖Fig.3 Floor heave of No.19112 auxiliary haulage roadway

4 對(duì)應(yīng)9#煤層影響區(qū)域巷道加固措施

9#煤層采區(qū)大巷位于殘采工作面機(jī)頭的正下方,考慮到9#煤層采區(qū)大巷為永久大巷,后續(xù)服務(wù)9#煤層太西采區(qū)的全部工作面,服務(wù)年限長(zhǎng),對(duì)礦井的正常生產(chǎn)影響較大。需對(duì)動(dòng)壓影響區(qū)域的9#煤層采區(qū)大巷進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)工作,確保服務(wù)期間的巷道安全與圍巖穩(wěn)定。在此針對(duì)不同影響階段,分別采取了必要的加強(qiáng)維護(hù)技術(shù)措施。

1)上覆殘采工作面回采前:強(qiáng)力錨索加強(qiáng)支護(hù)。為提高礦井上覆殘采工作面回采動(dòng)壓作用下9#煤層采區(qū)大巷影響段的整體抗動(dòng)壓擾動(dòng)能力,在工作面回采前以提高巷道圍巖的整體抗擾動(dòng)能力為主,采用強(qiáng)力錨索+高強(qiáng)度拱形托板為主的支護(hù)方式[11-14],聯(lián)巷交叉點(diǎn)附近的補(bǔ)強(qiáng)錨索增加必要的連接構(gòu)件,如W鋼帶、鋼梁鋼帶等。

2)殘采工作面回采期間與回采后:9#煤層巷道礦壓與圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)。工作面回采期間,需要對(duì)9#煤層采區(qū)大巷進(jìn)行礦壓與圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測(cè),判斷動(dòng)壓影響過(guò)程中圍巖的穩(wěn)定性。根據(jù)回采過(guò)程中的巷道礦壓顯現(xiàn)狀況,確定是否需要采取進(jìn)一步加強(qiáng)維護(hù)措施。

3)工作面回采完成后:9#煤層巷道圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與圍巖加固。對(duì)經(jīng)歷上覆4#煤層劇烈采動(dòng)影響且發(fā)生明顯變形破壞的巷道段,多數(shù)巷道圍巖內(nèi)部形成大量的破碎帶和裂隙帶,需對(duì)經(jīng)回采動(dòng)壓影響后出現(xiàn)嚴(yán)重變形的巷道段采取注漿加固+強(qiáng)力錨桿錨索支護(hù)的圍巖控制方案。

5 結(jié)論

1)上覆殘采工作面回采形成的支承壓力在工作面兩側(cè)和煤壁側(cè)以70°左右向底板傳播,在底板形成高應(yīng)力集中區(qū),當(dāng)下覆巖層位于該區(qū)域時(shí)巷道圍巖應(yīng)力集中,長(zhǎng)期處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。

2)根據(jù)底板采動(dòng)破壞深度微震實(shí)時(shí)獲取與動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)研究結(jié)果,總結(jié)出適用于井工一礦的底板強(qiáng)度破壞深度預(yù)測(cè)公式,并得出上覆4#煤層回采對(duì)底板強(qiáng)度的破壞深度為42.73 m,高于4#煤層同9#煤層的夾層厚度。

3)為了避免9#煤層采區(qū)永久巷道受殘采工作面回采動(dòng)壓的影響,提出了殘采工作面回采前以提高巷道圍巖的整體抗擾動(dòng)能力為主、回采過(guò)程中確定是否需要進(jìn)一步強(qiáng)化支護(hù)措施及回采完畢后大變形地段注漿加固+強(qiáng)力錨桿錨索支護(hù)等3個(gè)階段的加固方案,確保巷道的穩(wěn)定。