水城矿区煤层群开采矿压显现规律及顶板控制技术

2014-04-18潘昌荣

采矿与岩层控制工程学报 2014年3期

潘昌荣，李利

(1.贵州省煤矿设计研究院，贵州贵阳550025;2.贵州泰安矿山技术咨询服务公司，贵州贵阳550009)

水城矿区是我国十分重要的大型煤炭能源基地，区内的多数生产矿井均含有多层距离比较近的可采煤层，煤层群开采方法以下行开采为主。对于近距离煤层群开采，下伏煤层在开采前顶板的完整程度易受上位煤层开采损伤影响，并且上位煤层开采后残留的区段煤柱及一侧采空的煤体在底板形成集中应力，导致下位煤层开采区域的顶板结构和应力环境发生变化，从而使下位煤层开采与单一煤层开采相比出现了许多新的矿山压力现象［1］。

许多的煤层群矿井开采活动已充分表明［2－3］，由于对煤层群开采所形成的矿压显现规律没有足够的掌握，造成大量的巷道处于集中应力带而遭受其强大的集中应力作用，使得巷道严重变形，维护困难，严重地阻碍了开采活动的正常进行。因此，研究煤层群开采的矿压显现规律有着十分重要的现实意义。

为了研究水城矿区的矿压显现规律，从水城矿区内各生产矿井选出一些具有代表性的巷道，并用顶板离层指示仪在井下设点观测各巷道顶板的离层情况。采用生产试验与理论分析相结合的综合研究方法，对井下巷道顶板离层情况的实测数据进行分析，初步掌握水城矿区采准巷道的矿压显现规律，充分认识重叠煤柱和采空区边界所形成的集中应力对巷道造成的严重破坏，在此基础上对水城矿区重叠煤柱作用下的巷道顶板控制技术，以及采空区边界处的顶板控制技术进行了分析，并取得了一些有益的结论。

1 实测巷道基本状况

对水城矿区各矿井具有代表性的巷道基本情况进行了统计，并对巷道顶板的离层情况进行实测，其统计结果见表1。

表1 实测巷道基本状况

2 水城矿区煤层群开采的矿压显现规律

2.1 实测巷道数据分析

对水城矿区内所选的巷道顶板离层情况的实测数据进行归类和分析。首先将实测巷道按煤柱下方布置巷道、跨采不留设煤柱布置巷道和回采巷道分类。煤柱下方布置的巷道有南二采采区石门、平三采四片轨道石门、1376S运输石门、1376S轨道石门、1550东大巷、七采回风上山、1484西运巷、1460东瓦斯巷、四采轨道下山、一井运输下山、一井回风下山、二井运输下山等;跨采不留设煤柱的巷道有平三采大巷、斜五采1505轨道石门、1441运输石门、1460东瓦斯巷、1484西三石门等;回采巷道有41112风巷、6014风巷等。其次，从所分类的巷道中选出一些实测数据做出巷道相对位移量与时间关系图 (如图1、图2、图3所示)。

图1 南二采采区石门净宽、净高相对位移量与时间关系

图2 平三采大巷净宽、净高相对位移量与时间关系

图3 41112回风巷净宽、净高相对位移量与时间关系

由以上巷道相对位移量与时间关系图得出以下结论:

(1)南二采采区石门处于煤柱中心正下方，在垂直应力作用下，顶板容易弯曲下沉，并且垂直应力会向两帮煤岩体转移，导致两帮 (尤其是靠近顶板处)煤体被挤出，两帮塑性区、破碎区会逐渐增大，此时会进一步加剧顶板的下沉进而导致两帮更深处的煤岩体被挤出，如此恶性循环，顶板下沉量越来越多，两帮被挤出的煤体也越来越多。同时，由于受重叠煤柱影响和11煤层采动影响，该巷道受到严重的破坏和变形，从图1中可看到巷道的净宽、净高相对位移量变化很大。

(2)平三采大巷由于上方没留设煤柱，从图2中可看到巷道的净宽、净高相对位移量变化不大，巷道基本未发生破坏、变形。

(3)41112回风巷由于受到北面41102回采工作面的采动影响，特别是处于煤层群重叠煤柱边缘下方的一段巷道部分变形、破坏，从图3中可看到41112回采工作面的巷道虽经过加强支护，其净宽、净高相对位移量还是有较大的变化，造成巷道有一定的底鼓、变形。

2.2 煤层群开采矿压显现规律

通过对井下巷道顶板的离层位移实测数据分析，可总结出水城矿区煤层群开采矿压显现的一般规律。

(1)采准巷道上方或两侧留设煤柱的巷道围岩变形规律为:留设煤柱的下方巷道变形速度较快，特别是重叠煤柱的下方巷道变形更加明显;在变形加速区内的巷道支架破坏较严重，巷道修复次数增加;采空区下方的巷道变形速度平缓，巷道支架保持较为完好，巷道容易维护。

(2)采准巷道上方跨采不留设煤柱的围岩变形规律为:留设煤柱的下方巷道围岩变形速度较快，特别是重叠煤柱的下方巷道变形更加明显;处于采空区下方的巷道围岩变形速度平缓，巷道支架可免遭破坏，易于巷道的维护;处于采空区下方的巷道不受重叠煤柱的集中应力作用，巷道修复次数减少。

3 煤层群开采的巷道顶板控制

3.1 重叠煤柱作用下的巷道顶板控制

3.1.1 区段两翼或采区之间残留重叠煤柱作用下的巷道顶板控制

在区段两翼或采区之间残留重叠煤柱，极易形成大范围“压力拱”结构，产生强大的集中应力，并且由于煤柱集中载荷向底板深处传递，巷道围岩应力高度集中，棚式支护和低强度锚杆支护往往容易失效，巷道不得不多次维修与翻修，围岩稳定性差，安全状况得不到保证，影响回采工作面的快速推进［4－5］，采区之间重叠煤柱的应力分布如图4所示。如在1550东大巷、南二采采区石门，水平大巷和采区石门由于受强大的集中应力作用，对巷道造成的破坏特别严重，给巷道的维护带来了极大的困难，这两条巷道年维修次数一般在2～3次，才能勉强维护其巷道正常使用，在矿区内还有许多这样的例子。为了避免这种巷道破坏，最好能将残留煤柱留设在不影响巷道变形的位置，即采用跨石门、跨大巷回采等开采方法，如斜五采1505轨道石门，把煤柱留设在石门不受煤柱集中应力影响的位置上，使巷道处于应力降低区内，以利于巷道维护，减少巷道的修复费用的投入。

图4 采区之间重叠煤柱的应力分布

3.1.2 断层重叠煤柱应力集中作用下的巷道顶板控制

如果巷道处于断层重叠煤柱集中应力的作用下，由于地层受到地质构造运动的影响，断层附近的岩层非常破碎，并且存在一个易于滑动的面，这样巷道将受断层和重叠煤柱的双重影响，巷道状况十分恶劣，断层重叠煤柱应力分布如图5所示。如1376S集中机轨巷，处于断层下方的一段巷道严重变形、破坏，年修复次数高达3次。因此，在断层附近开掘巷道，容易增加巷道的维护工程量，应尽量避免在断层附近开掘巷道。

图5 断层重叠煤柱应力分布

3.1.3 重叠煤柱边缘下方的巷道顶板控制

当巷道位于重叠煤柱边缘下方时，在水平应力和剪切应力的作用下，靠近煤柱边缘下方的一帮煤体容易被挤出，导致顶板下沉量增加，而顶板下沉量增加会使垂直应力向两帮深部煤体转移，进一步加剧两帮的移近，导致更深处的煤体被挤出，重叠煤柱边缘下方巷道的应力分布如图6所示。因此，对于区段煤柱下方的巷道，顶板和两帮 (尤其是靠近顶板处)均是保持巷道稳定的关键部位，必须加强支护。如41112工作面回采巷道，处于煤层群重叠煤柱边缘下方的一段巷道严重变形、破坏，年修复次数高达3次/a。

图6 重叠煤柱边缘下方巷道的应力分布

通过数值模拟和工程实践经验，提出在41112工作面回采巷道确定采用高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆(索)配合11号工字钢钢棚支护(顶棚中间配合单体液压支柱的强力支护)及时对重叠煤柱边缘下方的巷道进行支护，使顶板形成整体承载结构，将垂直应力尽可能多地转移到两帮深处的煤体，以控制顶板下沉和两帮煤体被挤出。对于41112工作面回采巷道支护方案的选取，以经济有效、方便施工为原则，并通过数值模拟可以得到图7、图8、图9，最终确定位于煤层群重叠煤柱边缘下方的巷道支护方案。

由图7可知，对于锚杆间排距为 800mm× 700mm时围岩变形量较小，且再减小间排距对围岩变形影响不大，故确定锚杆间排距为800mm× 700mm;由图8可知，顶板下沉量、底鼓量、两帮移近量在锚杆排距小于800mm时变化不大，在锚杆排距大于900mm时，急剧增加。因此，考虑控制巷道围岩变形，煤柱下方应力集中，确定锚杆排距为700mm;由图9可知，顶板下沉量、底鼓量、两帮移近量在棚距小于800mm时变化不大，在棚距大于900mm时，急剧增加。因此，考虑控制巷道围岩变形，确定棚距为700mm。对于位于重叠煤柱边缘下方的41112工作面回采巷道，最终确定采用锚杆和钢棚联合支护，具体方案是:锚杆每排3根，间距为800mm，排距为700mm;钢棚棚距为700mm。

图7 锚杆间距对围岩变形的影响

图8 围岩变形与锚杆排距关系

图9 钢棚棚距对围岩变形的影响

实践表明，顶板以及两帮煤体在高强、高预紧力锚杆及时支护后，处于受压状态，改善了顶板及两帮表面煤体受力状态，能够抑制顶板及两帮煤体变形，最大限度地保持顶板及两帮锚固区煤体的完整性，减小锚固区顶板及煤体强度的降低，使顶板及两帮煤体成为承载体，将围岩应力向其深处转移，从而使巷道围岩趋于稳定。

3.2 采空区边界处的顶板控制

开采煤层群易于在采空区四周形成大范围的“压力拱”结构，在“压力拱”的支承点位置形成强大的集中应力，这就使采空区边界煤柱 (体)中应力高度集中，且向底板深处传递［6］。而于煤柱(体)对上覆岩层的支撑作用，煤柱(体)边缘的采空区内应力低于原岩应力，使得煤柱 (体)与采空区交界处底板应力呈非均匀分布。在非均匀应力的作用下，煤柱 (体)与采空区交界处底板岩层将发生相应的变形，以适应围岩应力环境，从而在交界处底板岩层中形成拉伸破裂区、剪切滑移区，且在垂直方向上，深度越小，破坏越严重。

根据工程现场经验，在水平方向上，从煤柱(体)下方距交界处正下方约3.0～5.0m开始直至过交界处正下方进入采空区下方约5～8m的范围内，底板破坏最为严重。当底板巷道掘进工作面从交界处下方通过时，由于其顶板在集中应力作用下被破坏，容易离层、冒落，如果得不到有效支护，冒落范围变大后顶板将与上覆采空区沟通，导致更大范围的漏顶、垮顶;另外由于煤柱 (体)的支撑作用，回采工作面两端垮落岩石受煤柱支撑作用影响重新胶结不实，存在较大空隙，传统树脂锚固锚杆无法在采空区内有效锚固，支护较为困难。同时，受开采煤层群的采动影响，煤柱边缘的部分采空区底板遭到破坏，原有构造裂隙发展、扩大，成为采空区积水向底板深部渗流的通道，使更大范围的底板被积水浸泡，强度大大降低。由于水城矿区的部分煤层群层间距极薄，当巷道掘进至此时，顶板会出现淋水且容易冒落。如1460东瓦斯巷虽采用U型钢支护，但仍造成巷道变形严重的后果。