采空区煤柱下沿空留巷围岩破坏特征和控制技术研究

2015-11-26郝胜鹏杨建雄

中国煤炭 2015年7期

徐军郝胜鹏杨建雄白宇

国内学者已对沿空留巷进行了很多研究和现场试验，并取得多项成果，使得沿空留巷技术不断完善，并在现场顺利推广。但针对特殊地质条件下的沿空留巷围岩移动规律和支护设计的研究依然较少，采空区煤柱下沿空留巷巷道围岩运动、破坏复杂，顶板岩层经历多次加卸载过程，岩石力学性能弱化，岩层承载能力降低，为巷道的支护带来困难。本文依据中兴煤矿1204下工作面沿空留巷工程实践，采用理论分析、数值模拟相结合的方法，对比采空区煤柱下沿空留巷与上煤层未采动时沿空留巷的不同之处，揭示采空区煤柱下沿空留巷围岩运动、破坏规律，为沿空留巷的巷内支护和巷旁支护提供理论依据。

1 工程概况

1204下工作面井下标高为＋740～＋800m，地面标高为＋1201～＋1354m，1204下工作面位于一采区左翼，北面为1206工作面 (未采)，南面为1202下工作面 (已采)。1204下工作面可采长度为900m，工作面长度为200m。

1204下工作面开采煤层，与2＃煤层间距为3m左右，煤厚1.75～2.25m，平均2m，属中厚煤层，是井田较薄地段，含夹矸1～2层，工作面大部分稳定可采。本工作面煤层倾角为2°～20°，平均11°。工作面煤层顶底板情况如表1所示。

表1 工作面煤层顶底板情况

2 采空区煤柱下沿空留巷围岩破坏特征数值模拟

2.1 数值模型的建立

采用离散单元法数值模拟工具UDEC模拟了采空区、煤柱对沿空留巷的影响，建立的模型尺寸长500m、高95.7m。模型两侧水平位移约束，底边垂直位移约束。上边界自由，施加上覆岩层厚度450m的等效均布载荷，覆岩平均密度取2.500g／cm3。块体选择摩尔-库仑塑性本构模型，节理采用库仑滑移边-边接触方式。其中局部放大图如图1所示。上煤层煤柱与1204下材料巷水平距离8m，竖向距离约3m。为了得到巷道实煤体侧、巷旁充填体、煤柱下采空区垂直应力，以及和上煤层未采动时对比，在模型中设置如图所示的测线；为了掌握顶板经历的反复加卸载过程，分别在实煤体、巷道、充填体上方的顶板岩层中设置监测点，观察其垂直应力变化过程。

图1 模型局部放大图

2.2 数值模拟结果及分析

下工作面回采后，测线所测得的垂直应力如图2所示。

图2 测线垂直应力图

由图2可知，当在采空区煤柱下留巷时，巷旁充填体上的载荷相比上煤层未采动时有所降低，但实煤体侧内部的应力峰值增大，而且受上方采空区的影响，实煤体侧的垂直应力波动较大，与上方采空区未完全压实、更位岩层运动规律有关。受上方煤柱的影响，在下煤层采空区内产生明显的应力集中现象，其强度达到40MPa。因此，当在采空区煤柱下沿空留巷时，上覆岩层自重、运动产生的应力向巷道实煤体侧和煤柱下转移，使得巷旁充填体承受的载荷降低。

图3 岩层加卸载过程

从上工作面的开挖到下煤层的二次回采，沿空留巷顶板经历了反复加卸载过程。图3显示了从上工作面回采到下工作面一次回采的过程 (未考虑二次回采)。由图3可知，采空区煤柱下沿空留巷岩层加卸载过程要比普通沿空留巷复杂得多。实煤体侧上方顶板和巷旁充填体上的顶板受反复加卸载尤为明显，当地下岩层未受采动影响时，其加载强度可达到13.8MPa，上工作面回采后，作为上工作面底板的岩层 (下工作面顶板)处于卸载状态，在垂直方向受到的载荷为0，随着上方岩层的垮落和压实，底板岩层逐渐处于加载状态，但其加载强度小、速度缓慢；巷道开挖后，围岩受到扰动，实煤体侧和巷旁充填体上的顶板加载强度和速度增大，当下工作面回采后，其加载继续增大，当巷道采空区侧的顶板断裂垮落，巷旁充填体应力集中现象得到缓解，充填体上的顶板载荷强度减小，但由于应力会向实煤体侧转移，所以实煤体侧的顶板应力加载强度继续增大到20MPa，直到上覆岩层稳定。而巷道内上方顶板由于巷道开挖后，其从三向应力状态转化为二向应力状态，其加卸载强度小。

沿空留巷围岩塑性区发育状态见图4，采空区煤柱下沿空留巷在实煤体侧、巷内靠近巷旁充填体侧的顶底板塑性区明显，而巷旁充填体发生塑性破坏的面积相对减少。

图4 沿空留巷围岩塑性区

综上可知，采空区煤柱下沿空留巷围岩破坏具有以下特征:顶板经历反复加卸载，且强度大，使顶板破碎，承载能力降低；采空区侧的顶板及时垮落，使应力向煤柱和实煤体侧转移，而作用于充填体上的应力降低，对充填体有利。

3 工程实践

3.1 沿空留巷支护方案

巷旁充填体采用具有早期强度大、增阻速度快、适量可缩的高水材料，并根据数值模拟和理论计算确定其宽度为2.5m。

由于巷道要经受两次采动的影响，留巷围岩受采动应力的影响围岩较破碎，矿压显现十分剧烈，巷道围岩顶底板移近量和两帮移近量都很大。另外，沿空留巷在关键块回转、下沉过程中容易使锚固体与上部直接顶、直接顶与基本顶之间产生较大离层，达到一定程度就会导致顶板垮冒，为防止冒顶事故，采用预应力锚索加强支护，保持直接顶与基本顶的同步运动。因此在沿空留巷巷内支护时采用锚索支护对顶板进行加固，由于锚索支护锚固深度比锚杆支护更大，可以将锚杆控制范围之外的下部不稳定的岩层锚固到上部稳定的岩层之中，可靠性大。在此过程中，要注意锚杆锚索预紧力的协调，使锚杆在浅部围岩中形成的预应力场与锚索在较深部围岩中形成的预应力场相互重叠，形成完整的预应力承载结构，阻止锚固区外岩层产生离层，改善围岩深部的应力分布状态。锚索和锚杆支护一样为主动支护方式，可以作为沿空留巷巷内锚杆支护的辅助支护方式。

1204下材料巷地质条件的特殊性，特别是巷道位于采空区下方，顶板仅有3m，属于极近距离煤层下行开采，导致在上煤层回采时将3m的岩层破坏，成为块体，极容易在下煤层回采时，在超前支撑压力的作用下发生冒顶事故，需要用背板将顶板固定，并采用锚杆和短预应力锚索支护，使顶板在预应力作用下形成固定板结构，整体承受上方采空区矸石的重量，确保巷道稳定性和满足使用断面要求。

沿空留巷工作面后方约150m范围内上覆岩层运动剧烈、顶板结构变化，为了保护已构筑好的巷旁充填体，在工作面后方150m范围内使用单体液压支柱在巷道内进行加强支护，以保证开始阶段巷旁充填体结构的完整性，并减小采空区及顶板来压对巷道围岩的影响，控制巷道围岩变形。加强支护参数为单体液压支柱配铰接顶梁，打4排单体液压支柱支护，排距100mm、柱距800mm。