近距离煤层迎采动工作面沿空掘巷支护技术

付书俊，吴 乐，何 杰

(1.阳泉煤业(集团)有限责任公司，山西 阳泉 045000；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

阳煤集团孙家沟煤矿由于工作面布置不合理等原因，造成该矿井出现大量近距离煤层群联合开采情况，下层煤回采巷道易受上层煤采掘及遗留煤柱强烈动压影响[1-3]，同时由于采掘衔接紧张，部分工作面出现巷道掘进期间相邻工作面正在回采的现象，即迎采动工作面沿空掘巷[4，5]。因此在上层煤采动及相邻工作面采动双重影响下，巷道顶板及两帮极易出现局部或大面积变形破坏，矿方投入了大量的人力和物力进行巷道返修，影响了巷道的正常使用，巷道支护和维护成本居高不下[6]。因此需根据矿井具体生产地质条件，制定相应的支护方案，研究其矿压显现规律，从而为该矿后续巷道布置及采掘衔接提供依据。

1 工程概况

孙家沟煤矿位于山西省忻州市保德县境内，开采标高为1100～580m，主采11#与13#煤，生产规模为120万t/a，其中13#煤煤厚最大15.45m，最小7.35m，平均13.05m。煤层结构复杂，含夹矸1～4层，夹矸厚度多数在0.30～0.50m之间，岩性为泥岩或炭质泥岩，顶板底板均为泥岩或砂质泥岩。本文研究对象为13313工作面，其北部为原同保煤矿准备巷，南部为13#煤北回风巷，距工作面终采线200m，西部为待布置的下区段工作面，东部为正在回采中的上区段13311工作面(煤柱宽为25m)，工作面布置如图1所示，因此，13313工作面回风巷为迎采动工作面沿空掘巷巷道。同时，13313工作面上方是2016年底回采结束的11107工作面采空区，二者空间位置近乎重叠，垂直距离约17m，13313工作面回风巷与上层煤遗留煤柱水平距离约为35m，因此，13313工作面回风巷同时受到上层煤遗留煤柱作用，近距离煤层空间位置关系如图2所示。地质力学参数测试显示，13#煤层最大水平主应力为16.65MPa，最小水平主应力为9.15MPa，垂直应力为5.58MPa，为最大水平主应力主导型应力场。

图2 近距离煤层空间位置关系示意图

13313工作面进风巷及回风巷均沿底板掘进，13313工作面回风巷顶板钻孔窥视图如图3所示，根据图3可以看出，顶板岩性较为完整，浅部存在少量裂隙，16.5m处出现塌孔，围岩极破碎，即进入采空区。进风巷左帮上方即为11107工作面遗留30m煤柱，回风巷与上部煤层遗留煤柱水平距离约为35m。

图3 13313工作面回风巷顶板钻孔窥视图(m)

2 13313工作面回风巷稳定性分析

2.1 上层煤遗留煤柱影响

结合工作面实际地质生产条件及地质力学参数测试结果，采用FLAC3D建立数值计算模型，尺寸为180m×2m×50m，划分为74880个单元和95665个节点，在建模过程中严格按照13313工作面及巷道空间位置，数值计算模型如图4所示。三维模型的边界条件取为：上部为应力边界条件，四周水平位移固定，模型底部垂直位移固定，且按照实际地应力条件施加模型初始应力，模型参数见表1。数值计算模拟工作面回采顺序同实际生产一致。

图4 数值计算模型示意图

岩性密度/(kg·m-3)体积模量/GPa剪切模量/GPa内聚力/MPa抗拉强度/MPa内摩擦角/(°)泥岩21003.11.82.50.3728石灰岩27004.534.083.20.7030砂质泥岩23204.03.62.80.52811#煤14001.040.821.80.252413#煤14001.040.821.80.2524

模拟分析11#煤层工作面回采后遗留煤柱下方垂直应力分布曲线如图5所示。遗留煤柱下方存在应力增高区，其影响范围水平分布约为30m，小于13313工作面回风巷与上层煤煤柱水平错距，因此13313工作面回风巷所处区域垂直应力值基本为原岩应力区，受遗留煤柱作用较小。同时说明上层煤遗留煤柱作用水平范围即为30m，因此下一工作面布置应尽量将回采巷道布置于该范围外。

图5 11#煤遗留煤柱下方垂直应力分布曲线

2.2 阶段Ⅰ：上区段工作面超前采动影响阶段

阶段Ⅰ(如图1所示)，该阶段巷道两侧均为实体煤，围岩易形成较为稳定结构，根据上文可知，上层煤遗留煤柱影响作用有限，同时结合孙家沟矿之前工作面回采经验可知，上区段13311工作面超前支承压力作用对巷道影响较小，巷道变形较小。

2.3 阶段Ⅱ：上区段工作面滞后采动影响阶段

阶段Ⅱ(如图1所示)，该阶段自回风巷与上区段工作面水平相会后，随着两者相向而行，相距较远，一段时期内，由于上区段工作面直接顶随回采出现规则及不规则垮落，顶板结构剧烈调整，关键层与直接顶出现离层，关键层岩块出现弯曲下沉现象，对煤柱上方及巷道上方造成强烈的变形压力，巷道顶板随之下沉，顶板与煤柱帮交界处煤体易破碎掉落，由于煤柱较宽，中心部位保持完整性，因此上覆顶板压力经过煤柱延深至底板，在巷道开掘后应力释放，极易造成巷道底板鼓起，巷道整体表现为非对称大变形，该阶段巷道稳定性最差，需要加强支护。

2.4 阶段Ⅲ：沿空掘巷阶段

阶段Ⅲ(如图1所示)，该阶段是指在上区段工作面回采引起的顶板垮落较为完全后，对上覆岩层有支撑作用，关键层岩块不再弯曲下沉，侧向支承压力明显较上一阶段减小，巷道掘进受顶板活动作用较小，同时由于煤柱尺寸较大，巷道处于上区段采空区侧向支承压力稳定区甚至减小区[7]，因此，该阶段巷道稳定性较好，巷道易于控制。

3 支护方案

根据13313回风巷不同阶段应力环境的特殊性，制定相应的支护方案[8]。由于受到上层煤遗留煤柱作用，同时顶板为13m厚煤层，因此顶板稳定性尤为重要。研究表明[9，10]，对于煤层碎胀顶板，采用高预应力短锚索支护方式，顶板锚索支护形成的承载结构远大于锚杆支护，同锚杆支护相比，能大幅减小巷道变形量，巷道无需返修即可满足生产使用。基于此，确定采用顶板高预应力短锚索支护方案[11]，改变孙家沟煤矿原12m长锚索悬吊于稳定岩层的支护理念。

3.1 阶段Ⅰ、阶段Ⅱ支护方案

随着上区段工作面回采与回风巷掘进，阶段Ⅰ逐渐演变为阶段Ⅱ，因此阶段Ⅰ与阶段Ⅱ支护方案相同。顶板采用1×19股高强5.2m短锚索与8.2m长锚索结合支护，其中短锚索配W锚索托板与W钢带组合构件，长锚索配钢筋钢带构件，锚固剂规格为MSCK2335与MSK23120各1支组合，要求张拉力不低于300kN，损失后不低于180kN[12]；巷帮采用HRB500高强度锚杆，锚固剂采用1支MSCKa2360，要求预紧力不低于400N·m。阶段Ⅰ、阶段Ⅱ支护断面图如图6所示。

图6 阶段Ⅰ、阶段Ⅱ支护平面图(mm)

3.2 阶段Ⅲ支护方案

阶段Ⅲ较阶段Ⅱ而言巷道易于控制，且煤柱更为稳定，因此支护方案基本同阶段Ⅱ，不同之处在于煤柱帮锚索排距由1m增大至2m。

4 支护效果及矿压监测

回风巷掘进期间安装一组矿压监测测站，监测上述各阶段锚杆锚索受力及煤柱应力变化。监测所得受力变化曲线如图7、图8所示。图中，横坐标数值为负时，表示测站位于上区段回采工作面前方，反之位于后方，顶板锚索自工作面侧计数1～5，锚杆从上至下依次计数。由图7及图8分析可知：

图7 不同巷道部位锚杆及锚索受力变化曲线

图8 距巷道围岩不同位置处锚杆及锚索受力变化曲线

1)阶段Ⅰ：顶板锚索及煤柱帮锚索受力变化较小，局部存在受力波动，实体煤帮锚杆与煤柱帮锚杆呈现平稳增大趋势，其中，测站超前于工作面70m范围内煤柱帮锚杆受力增速加大；煤柱应力在该阶段整体较为平稳，超前60m范围内4m、10m、12m位置煤柱应力有较明显波动。因此可推知工作面超前影响范围为60m，且上区段遗留煤柱造成的应力扰动较小。

2)阶段Ⅱ：在测站处于上区段回采工作面后方时，对于顶板锚索，2#锚索受力有所减小，其余均不断增大，煤柱帮锚杆及锚索受力呈不断增大趋势，实体煤帮中部锚杆受力先增大后减小，底部锚杆受力不断增大。其中，顶板锚索及巷帮锚杆受力在滞后工作面410m后趋于稳定，煤柱帮锚索受力在滞后工作面360m后趋于稳定。对于煤柱应力变化，在滞后工作面后，4m位置深度应力急剧增大，最大增幅达到19MPa，6～12m位置应力缓慢增大，距巷帮较浅部2m位置在滞后工作面40m后即发生塑性破坏，应力值不增反降；在滞后工作面396m后，煤柱应力变化出现拐点，4m及6m深度位置应力开始减小，8～12m位置应力基本平稳。综上可知，阶段Ⅱ对应范围为工作面后方0～410m范围。

3)阶段Ⅲ：该阶段锚杆、锚索受力及煤柱应力均呈现较为稳定的趋势，因此，该阶段范围为工作面后方410m外，且此阶段煤柱塑性区范围从2m扩展至6m深度，可知，监测全过程中，煤柱靠近回风巷侧最大破坏深度达到6m，而上区段工作面侧破坏深度小于13m。煤柱中心大部分区域保持稳定，因此，可考虑在后期生产中适当减小煤柱尺寸。

4)监测全过程中未出现锚杆及锚索破断现象。结合巷道围岩观测可知，回风巷在超前于工作面期间巷道变形很小，进一步说明上层煤遗留煤柱对该巷道作用影响较小；而当巷道进入工作面后方480m范围内，巷道底鼓较为严重，最大处达到820mm，两帮变形较小，顶板有破碎煤渣掉落，尤其顶板与煤柱帮衔接处较为明显，480m后巷道底鼓较小，说明巷道变形与锚杆锚索及煤柱受力变化趋势总体一致，但巷道变形受影响距离更远。同时另一方面说明针对性的支护措施能够很好的控制巷道变形，但由于底板无支护措施，后期生产中需进行少量起底工作。

5 结 论

1)孙家沟煤矿13313工作面回风巷作为近距离煤层下层煤回采巷道，掘进期间受到上层煤遗留煤柱作用、上区段工作面超前支承压力作用、滞后支承压力作用及采空区侧向支承压力多次扰动，应力环境复杂。

2)研究表明，由于上层煤遗留煤柱距回风巷水平距离较远，其影响作用很小。13313工作面回风巷受上区段工作面超前支承压力影响范围约为60m，工作面后方影响范围约为410m，之后进入较为稳定的沿空掘巷阶段。整个监测阶段巷道变形主要表现为底鼓，且集中在工作面后方。煤柱回风巷侧最大破坏深度为6m，工作面侧破坏深度小于13m，煤柱中心大部分区域仍保持稳定，因此可考虑下一工作面布置时适当减小煤柱尺寸。

3)提出的针对性阶段支护方案能够较好地解决类似迎采动巷道的控制难题，保证采掘正常衔接与安全回采。