煤柱下特厚煤层动压巷道稳定性与控制技术研究

吴 乐，冯智杰，何 杰，冯友良，郝登云

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013；3.山西世德孙家沟煤矿有限公司，山西 忻州 036600)

回采巷道的稳定性主要决定于围岩应力、围岩强度与支护系统[1，2]。近距离煤层下行开采时，上层煤回采结束后形成采空区与遗留煤柱，围岩应力重新分布[3，4]。由于采空区垮落的顶板对底板应力分布的影响较遗留煤柱集中应力影响要小的多，因此下层煤回采巷道的布置需着重考虑遗留煤柱下应力集中分布范围，从而降低上层煤遗留煤柱与本工作面回采双重扰动影响程度[5-8]，同时采取合理的支护技术控制巷道变形[9-12]。本文以山西世德孙家沟煤矿13313工作面进风巷为工程背景，从围岩应力、围岩强度与支护系统三个方面对煤柱下动压巷道稳定性及控制技术展开研究。

1 工程概况

山西世德孙家沟煤矿主采煤层为11#煤与13#煤，11#煤煤层平均厚度为2.2m，下方为13#煤层，13#煤层平均厚度为13.54m，两层煤层间距10m，11#煤与13#煤为典型的近距离煤层。13313工作面进风巷沿13#煤底板掘进，其正上方为沿11#煤顶板掘进的11007工作面进风巷，13313工作面正上方为11007采空区，两者空间位置重叠。13313进风巷西侧为尚未开掘的13315回风巷，巷道平面与垂直位置关系如图1与图2所示，其中图1中实线为13#煤巷道，虚线为11#煤巷道。天地科技股份有限公司在该工作面测得地质力学参数结果显示，13#煤最大水平主应力为16.65MPa，方向为北偏西33.6°，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，在量值上属于中等应力值区域。

2 上煤层采空区底板破坏深度力学计算

11007工作面采用全部垮落法处理顶板，根据上下煤层具体位置关系，建立底板破坏力学模型如图3所示[13]。由图3可看出，随着工作面的开采，其底板岩层发生破坏，根据塑性理论及采场矿压理论，将其分为3个区域：主动应力区(Ⅰ区)、过渡区(Ⅱ区)与被动应力区(Ⅲ区)，过渡区是形成底板破坏的最大深度区，BD为对数螺旋线。煤柱顶板支承压力通过Ⅰ区，经过Ⅱ区的压伸传递作用至Ⅲ区，由于采空区的存在，应力作用转而向上。文献[14]总结出极限条件下对数螺旋线方程及底板破坏深度H与工作面前方煤体超前支承压力峰值范围L的关系式为：

(1)

(2)

其中，φ为内摩擦角，(°)；r0为AB、OB的长度，m。

根据孙家沟大量实测数据，工作面前方支承压力峰值范围一般为14m，因此L=14m，依据孙家沟地质资料，取煤层底板内摩擦角φ=28°，计算的：H=28.2m>23.54m(11#煤底板距13#煤底板距离)，因此，13#煤回采巷道处于上层煤破坏范围内。

图3 上层煤采空区底板破坏深度计算模型

3 遗留煤柱下巷道稳定性研究

3.1 数值模型的建立

根据孙家沟煤矿13313工作面生产地质条件及地质力学参数结果，采用FLAC3D建立数值计算模型，模型尺寸为：225.5m×1m×70m，在建模过程中严格按照图1与图2所示巷道相邻空间位置关系进行建模。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，数值模型如图4所示。模型中各层位岩石物理力学参数见表1。按照实际巷道开掘及工作面回采顺序，确定数值模拟方案为：开挖11007进风巷并计算至平衡→开挖11007工作面并计算至平衡→开挖11009回风巷并计算至平衡→开挖11009工作面并计算至平衡→开挖13313进风巷并计算至平衡，模拟过程中采用一次性换填法充填采空区。

图4 数值模型示意图

表1 模型岩石力学参数

3.2 遗留煤柱下方应力分布

模拟11007工作面及11009工作面回采结束后，遗留煤柱下方垂直应力分布如图5所示，图5右侧示例为模型对应岩层分布图，由图5可知在11#煤层两个工作面回采结束后，遗留煤柱内部及下方形成“U型”应力集中区，而13313进风巷处于该应力集中区边缘，即当13313进风巷错开煤柱一定距离时，应力环境将得到显著改善。当13313进风巷位于煤柱边缘下方时，巷道内平均应力达到8.78MPa，应力集中系数为1.58；当外错25m时，即巷道位于22～27.5m位置时，巷道内平均应力为3.79MPa，降幅达到56%，即外错25m时应力环境得到显著改善，此时开掘巷道可提高稳定性。

图5 遗留煤柱下方垂直应力分布(MPa)

3.3 上层煤遗留煤柱宽度对下层煤回采巷道的影响分析

为探究不同尺寸遗留煤柱对下层煤回采巷道应力环境的影响，模拟中改变11007工作面与11009工作面之间的煤柱尺寸，以13313工作面进风巷腰部中轴线(距13#煤煤层底板2.5m)为基线设置测线，监测该水平线上不同遗留煤柱宽度时上层煤回采过后垂直应力分布曲线，得到不同宽度遗留煤柱下方垂直应力分布曲线如图6所示。通过比较可知，煤柱宽度从32m以5m维度递减至12m过程中(矿方设计煤柱尺寸时常以5m作为梯度变化，因此本文模拟中选用5m为变化梯度)，13313进风巷所在区域垂直应力不断增大，且煤柱尺寸越小增幅越显著。可见，上层煤遗留煤柱尺寸的增大有助于改善煤柱下方巷道所处应力环境，同时，煤柱尺寸为27m与32m时，13313进风巷所在区域应力分布基本一致，因此在后续11#煤回采可适当减小煤柱尺寸至27m。

图6 不同宽度遗留煤柱下方垂直应力分布曲线

4 支护方案设计

通过上述讨论分析可知：13313进风巷处于应力增高区，巷道开掘时易产生大变形，因此需采取高预应力强力支护技术，及时控制巷道围岩裂隙、离层。由于13313工作面煤层厚度平均为13.54m，为特厚煤层，巷道高度为3.7m，顶煤厚度接近10m，矿方在进行设计时采用悬吊理论，认为锚索需要悬吊在稳定岩层中，因此锚索原设计长度为12m，造成支护材料浪费，同时影响支护速度，巷道变形情况未见明显改善。巷道支护设计前，在13313回风巷采用钻孔触探法对顶板围岩强度进行原位测试，测点位于回风巷200m与700m处，其中700m测点测得结果如图7所示，可知巷道顶板上方0～5.9m为13#煤，强度主要集中在18～23MPa，为中硬煤体，5.9～7.8m为泥岩，岩层强度平均值为43.14MPa，7.8～13.0m为砂质泥岩，泥质胶结，岩层强度平均值为56.46MPa。进一步在顶板煤体中进行锚索锚固力测试，测试锚索5.2m与8.2m各2根，锚固力最小为313kN，平均为327kN。根据文献[15]可知，锚索在张拉与锁定过程中由于锁具限位距及围岩蠕变等原因会造成锚索预应力损失，因此在进行锚固力测试时安装锚索测力计，测得锚索预应力损失平均为42.7%，即张拉至300kN时损失后锚索受力可达到172kN，仍可以对顶板施加高预应力。

图7 13313回风巷顶板围岩强度

另一方面，从锚索预应力扩散角度分析，随着锚索长度的增加，锚索中上部及锚索之间的围岩压力逐步减小，当预应力一定时，长锚索的主动支护作用弱于短锚索，锚索越长，需要施加的预应力越大[16]，因此在进行支护设计时将顶板原12m锚索支护方式变更为5.2m与8.2m、Φ21.8mm的1×19股高强度锚索组合支护形式，为实现顶板锚索预应力有效扩散，采用W异型锚索托板与W钢带为锚索支护组合构件，锚索初始张拉力要求不低于300kN，具体支护参数如图8(a)所示。巷帮主要受到水平应力作用，相对于垂直应力变化较小，因此采用高强度强力锚杆支护，组合构件采用W钢护板，扩大护表面积，要求锚杆预紧力为400N·m，煤柱帮(即靠近13315工作面侧巷帮)采用规格为Φ17.8mm×4200mm的锚索补强支护，具体支护参数如图8(b)所示。

图8 巷道支护设计方案(mm)

5 矿压监测及支护设计反馈

巷道表面变形曲线如图9(a)所示，巷道在掘出后围岩持续收敛，顶底板移近量变形大于两帮移近量，初期变形速度大于后期，顶底板移近量最大为602mm，根据现场观测主要表现为底板鼓起，顶板下沉量较小；两帮移近最大为442mm，其中煤柱帮移近量大于实体煤帮移近量，且在观测后期，随位移数据变形速度降低，但巷道仍在缓慢收敛，接近于蠕变变形，但巷道变形总体不影响生产及通风要求。

顶板锚索受力变化曲线如图9(b)、(c)所示。5.2m与8.2m锚索受力变化曲线显示，锚索初始张拉力均大于200kN，充分发挥了锚索及时主动支护作用，抑制了巷道开掘后顶板煤体裂隙张开的情况。锚索安装后由于遗留煤柱的应力集中作用及巷道掘进扰动共同造成了锚索受力不断波动，其中遗留煤柱的作用占据主导地位，最大受力489kN，低于锚索极限破断力530kN；在巷道掘进迎头距测站650m外受力趋于稳定，锚索最终受力较最初受力略有提高，因此可论证锚索支护参数设计合理。

巷帮锚杆受力变化曲线如图9(d)所示，可知锚杆初始预紧力大于70kN，仅工作面帮2号锚杆初始预紧力为48kN略小，锚杆安装后受力变化形态与顶板锚索基本一致，随巷道掘进受力不断波动，最大受力小于锚杆破断力，后期受力稳定后较初始预紧力有所升高，且初始预紧力越小，锚索受力增幅越大，说明锚杆较大的预应力能够提高承载结构的稳定性，充分发挥围岩承载能力，控制巷道变形[17]。综合分析可知，该支护方案合理有效，能够满足安全生产要求，因此在后续开采中，针对特厚煤层留顶煤可推广该支护形式。

图9 矿压监测曲线图

6 结 论

1)数值模拟显示，对于孙家沟近距离煤层开采，13#煤层处于上层煤采空区底板破坏深度范围内，11#煤层遗留煤柱下方形成“U型”应力集中区，13313进风巷位于该应力集中区范围内，巷道稳定性较差，外错25m应力环境可得到显著改善。

2)随着上层煤遗留煤柱宽度增大，下方应力集中程度有所降低，其中，煤柱27m后应力增幅减缓，与32m煤柱下方应力分布基本一致，因此后续开采中可考虑适当减小上层煤煤柱尺寸。

3)对于特厚煤层留顶煤回采巷道，锚索并不需要悬吊在上层岩体中，造成支护材料的浪费，通过围岩强度及锚固力测试减小锚索长度，并施加高预应力，结合矿压监测显示巷道顶底板移近最大为562mm，两帮移近为442mm，满足使用要求，锚索受力最大为489kN，锚杆受力最大为176kN，仍处于极限承载范围内，故该支护方式合理有效，并已推广应用。