浅析常村煤矿31101综采工作面沿空留巷柔模(局部)变形因素和治理方案

2020-12-20王虎伟

煤 2020年8期

王虎伟

(潞安环能股份公司常村煤矿，山西长治 046204)

1 概述

1.1 问题提出

根据常村煤矿实际情况巷道围岩的稳定性主要存在的问题基本体现在31101综放工作面本区段的采动影响。31101综放工作面超前支护采用的是胶带巷超前维护距离动态不小于30 m，0～10 m采用一梁三柱单体柱π型梁(4.6 m)棚支护，排距800 mm，10～30 m采用一梁二柱单体柱π型梁(4.6 m)棚支护，棚距800 mm；进风巷超前支护长度动态保持30 m，采用单体柱π型梁(3.6 m)棚支护，前10 m为一梁三柱，10～30 m为一梁二柱，排距800 mm，在单体柱π梁棚与里帮煤墙间交错架设两排一梁二柱单体柱π型梁(1.8 m)抬棚，棚距800 mm。

31101综放工作面推进过程中，由于大面积的回采，该工作面前方的煤体上造成了超前支撑压力作用，从而影响了巷道的服务年限间内的围岩变形和破坏。这样无法保证巷道的断面形状和尺寸，为人员和设备的安全施工提供可靠有利的条件。

为了节能降耗，提升31101综放工作面的煤炭资源回收率、降低巷道的维护成本和再次掘进率，逐步开始对31101综放工作面的沿空留巷、沿空掘巷进行了对实际情况开始探索研究。31101综放工作面沿空留巷是构筑巷旁支护结构，在受到采区岩层剧烈活动的影响下，巷道顶底板还是两旁都受到剧烈的影响，无论是顶底板还是两帮都产生不同的变形巷道造成维护困难。根据实际研究表明，做出了对巷道围岩变形的主要措施：①使用合理的主动支护来控制巷道围岩的变形；②载荷体的围岩变成承载体来控制围岩的变形；③使用合理的方法增加围岩强度从而减小巷道的围岩变形。由于巷道的布置位置受到地质条件和开采条件的限制，部分沿空留巷的显现规律出现了不同的变化，因此还需要再次深入研究31101综放工作面沿空留巷的矿压显现规律，并选择合理的煤柱设计来控制和保证巷道稳定性，从而保证安全生产和节能降耗，成为学者和煤炭企业领导人关注的焦点。

常村煤矿是潞安集团主要生产矿井，受矿区规划、布置和历史人文等因素的影响，巷道和采空区属于复杂型。常村煤矿31101综放工作面西部为31102综放工作面(未回采)，北部为辅助回风大巷，南部为矿界，东部为待掘的沿空掘巷。31101综放工作面与待掘巷道成异型煤柱，保留煤柱为1.5～20 m。与31102关系为留窄煤柱进行沿空掘巷，受采空区影响剧烈，柔模围岩变形，形成了巷道支护困难。

1.2 研究现状

1) 合理的煤柱留设研究。

2) 综放工作面的沿空留巷、掘巷矿压显现规律。

3) 综放工作面的沿空掘巷、留巷的围岩控制与支护技术。

1.3 研究方法及技术路线

1.3.1 煤柱(柔模)的强度研究

1) 根据大板裂隙理论对煤柱(柔模)进行强度研究，按照31101综放工作面采空区的走向剖面作为边界受载荷作用的大板中的一个孔口，根据弹性断裂理论计算孔口端部的煤柱应力变化情况。

2) 核区强度不等理论的研究。综合采用长煤柱的破坏面积计算，将煤柱的实际应力和核区强度相结合，总结计算出核区不同位置和不同强度。因常数复杂、变化性过大，从而减少了实际的实用性。

3) 极限平衡理论。煤柱的顶面和中性面所受的垂直应力的分布状态，结合弹性理论相关公式计算条带开采中的采空区的应力变化情况，从结论中做出对不同的地质构造和特殊的地质条件中长臂条带开采对煤柱的留设做出选择，结合应力的平衡计算方式和库伦准则计算出留设煤柱的应力极限平衡区的宽度。

1.3.2 煤柱(柔模)荷载理论研究

有效区域理论、压力拱理论和AHWilson的两区约束理论。

1.4 沿空掘、留巷围岩控制和支护

国外的“压力拱假说”、“新奥法”和“能量支护理论”统一基本定论是通过加强支护结构将围岩的应变控制在许可范围内，因而主张利用支护结构和围岩的相互作用共同成为支撑环，在支护作用下，虽然吸收并释放了部分能量，使其能量的总和没有改变，从而支护结构调节围岩的释放能量和支护吸收的能量可以相互调节。但是“压力拱假说”对围岩卸载的原因、岩层的变形、破坏和发展过程和围岩与支架的相互作用并未做出明确的解释。

国内以“轴变理论”、“开挖系统供应理论”为主；巷道的围岩破坏自巷道开挖后地应力受到巷道垮落而产生变化，根据巷道的弹塑性理论来分析，巷道的垮落也可以自行稳定，巷道的围岩破坏是地应力超过岩体强度的极限引起的，垮落后改变了巷道的轴比，致使应力重新分布，从而造成了高应力下降低应力上升的情况，导致向无压力的地方均匀分布发展，直到稳定之后停止。在应力均匀分布轴比成为巷道稳定的轴比，形状为椭圆形。巷道开挖后破坏了岩体基本平衡，因此存在相关的组织功能，能改变围岩变形和支护的结构力能进行现场检测，验证了其可行性和科学性。

2 综放工作面沿空留巷、沿空掘巷的应力分布规律

31101综放工作面在回采放顶之后，由于31101工作面的地质条件影响的情况下，沿空留巷的方向由于煤层的采放厚度较大，也无法做到一次全部垮落，从而导致垮落的矸石根本不能满足充满采空区部分，导致老顶在采空区的边缘发生断裂，并使老顶基于下沉状态，顶板的弯曲状态也存在变化，最后导致向采空区方向倾斜，直至最后发展成为向煤体内转移的情况。在此过程中受采动的影响，工作面的超前10 m范围内，巷旁的充填体受到了垂直应力的作用下开始对称分布，距离超过超前距离时出现了非均匀的下沉情况，特别是在二次采动的过程中这种现象更加明显。顶板的断裂角度加大时，巷道的围岩应力得到很大的改变空间，这点为31101工作面的沿空留巷创造了最佳条件。

31101工作面回采后沿空留巷形成了内部的相关破碎区，承载能力相对较小，相反方向31101综放工作面方向采煤放顶的同时形成超前支撑压力，在超前支承压力的作用下煤柱进一步压碎破碎，使顶板再一次发生断裂，巷道压力及变形极具加大。沿空掘巷、沿空留巷在巷道压力作用前维护较容易，受采动超前支撑压力时维护造成了困难。

3 31101综放工作面的沿空留巷的围岩控制原理

3.1 窄煤柱稳定是控制围岩稳定的关键因素

为了提倡集团公司节能降耗不浪费煤炭资源，留设窄煤柱是减少煤柱损失，最大程度提高煤炭的回收率，窄煤柱留设的最佳选择。但窄煤柱必须要设计出一个合理的宽度，不仅具有巷道支护体载荷力小，还要保留巷道的围岩完整。煤柱留设的宽度选择对巷道围岩的变形影响，主要存在以下几个方面：①顶板下沉；②实体煤帮的移近，主要体现在向采空区的侧水平位移和巷道方向位移。根据31101工作面的位置关系和极限平衡理论煤柱的计算公式：B=X1+X2+X3；X1为采空区侧煤体的塑形宽度；X2为煤柱的稳定系数，取值为X1+X3的50%；X3为锚杆的有效长度。

3.2 使用高阻让压支护来控制围岩变形

由于受到31101工作面的地质条件的影响下，应力明显增加出现巷道的地板鼓起，顶板下沉和两帮发生位移的变化，造成了巷道的多次维护。体现出了回采过程中产生的靠近采空区的单侧压力集中向煤柱产生压力，造成了原始应力的静压状态。造成了支护作用的阻力也不能阻止围岩的变化和充填体的变形状态。再加上回采巷道的服务年限没有达到最高设计要求，在允许的情况下，可以产生部分微小情况下变形状态，31101工作面的留巷支护在具有高压阻力的条件下，还要具有巷道比较大的变形性能，从而防止在高支撑压力情况下的破坏和其他不稳定因素的破坏，应用高阻让压支护在控制综放沿空掘巷掘进巷道围岩变形得到更好的控制。

3.3 在使用高强度锚杆支护强化巷道围岩的强度的实验研究

巷道的围岩是个承载体，支护和围岩是不可分离的共同承载者。锚杆支护实现了主动支护、及时支护合理的密度放射状布置，保留了主动挤压控制围岩的整体性。高强度锚杆支护的屈服强度、抗拉强度和延伸率有效改变了巷道环境，使用高强度锚杆支护产生的预应力场满足了巷道应力分布需求。在高强度锚杆支护作用下，有效控制应力的分布状态，改善了巷道的稳定情况。

4 31101综放工作面的沿空留、掘巷实际情况和处理方法

目前31101工作面沿空留巷已留巷785 m，目前巷道部分区段受应力变形严重，现将巷道内受应力变形区域分类简述如下。

4.1 顶板下沉明显，需挑顶处理区段

1) 40～120号柔模包位置(全长155 m)及措施巷口(距工作面切眼639 m)，该区段主要表现为顶板下沉明显，下沉量为810～1 000 mm，且局部出现坠包，巷道最低点位于110号包，巷道最低点高度为2.36 m，部分顶板已经挤压综合管网，该区段已打设木垛7个，近期该区段巷道稳定，变形量未扩大。

2) 149～156号柔模包位置(距工作面切眼400 m，全长28 m)，该区段主要表现为顶板下沉明显，下沉量为700～1 000 mm，且局部出现坠包，巷高范围为2.4～3.2 m，部分顶板已经挤压综合管网。

3) 183～185号柔模包位置(距工作面切眼305 m)，巷道顶板整体下沉，下沉量为600～1 000 mm，巷高范围2.4～2.9 m。

4.2 底鼓明显，需拉底处理区段

1) 23～27号柔模包位置(距工作面切眼840 m)，该区段底鼓最大高度达800 mm，巷高范围为2.6～3.0 m。

2) 130～144号柔模包位置(距工作面切眼485 m)，该区段底鼓最大高度达1 000 mm，巷高范围为1.7～2.6 m，部分顶板已经挤压综合管网，该位置巷道中部已经拉底，拉底宽度0.8 m，深度0.6 m。

3) 189～201号柔模包位置(距工作面切眼255 m)，该区段主要表现为巷道底鼓及顶板坠包，底鼓最大高度达800 mm，目前外围队组正在该区域拉底。

4.3 顶板坠包，需挑顶处理的区域

顶板坠包主要分布在80号、85号、93号、94号、96号、188号、191号、192～193号、196号、207号、208号、209号和240～243号这些区段受巷道顶板坠包影响，巷高范围为2.2～2.8 m，部分坠包与上部巷道顶板离层，巷道顶板π型梁被坠包包裹或变形，这些区域需挑顶处理坠包。

4.4 锚杆、锚索失效，需补打锚杆、锚索区段

目前沿空留巷中柔模侧顶板锚索失效情况较为严重，22～202号柔模位置靠柔模侧锚索普遍失效；锚杆失效严重区域在171～178号柔模区域，该区域现补架单体柱棚15架，但为保证巷道断面还需及时补打锚杆、锚索。

4.5 外帮煤墙变形，需扩帮区段

沿空留巷从216号柔模包(距工作面210 m)位置帮部鼓出加剧，其中最严重区域位于207～208号柔模包(距工作面230 m)、202～204号柔模包(距工作面242 m)，最大鼓出量550 mm，这两个区段外侧煤墙已挤压支护单体柱，需及时回柱并重新打设。

4.6 沿空留巷中单体柱死柱集中，需及时回柱补打单体柱区域

43～49号、132号、180号、183～185号和200～201号柔模包位置单体柱死柱数量较多，需及时处理。

4.7 沿空留巷中柔模包剪切破坏情况

31101工作面沿空留巷共计有12个柔模包出现明显的剪切破坏，分别是77号、87号、92号、93号、94号、95号、98号、102号、107号、110号、114号和117号。

4.8 目前沿空留巷支护情况说明

掘三队六组顶板及煤帮联网开始位置位于218号柔模包，工作面回棚已经回至216号柔模包，靠近工作面切眼最近的沿空巷变形位置位于243号架(距切眼110 m)，该区域单体柱出现弯柱，顶梁断裂。

常村煤矿所采煤层为3号煤层，赋存于二叠系山西组地层中，为泻湖泊相沉积。31101综放工作面处于背斜西翼，煤层厚度稳定，工作面煤层厚度6.7～7.1 m，平均煤厚6.9 m。全煤中间夹有一层夹矸，厚度为0.1～0.35 m，平均厚度为0.2 m。煤层倾角为0～10°，平均2°。煤层埋藏深度为404～425 m，距9号煤层平均距离为59.9 m。煤层老顶为细砂岩、粉砂岩组成，厚度在12～25 m；直接顶为泥岩、砂质泥岩厚度在5～13 m；伪底为砂质泥岩，厚度在0.2～0.4 m；直接底为粉砂岩、细砂岩组成，厚度在1.2～4.5 m；老底为砂质泥岩组成，厚度在5～15 m。采用综合放顶煤采煤法，沿空留巷采用高强度锚杆支护，沿着煤层底板掘进。

因此31101综合放顶煤工作面的沿空留巷巷道的支护具有较高阻力的同时，还应具有较大的变形发生的可能，从而使围岩的变形能量得到释放而让压作用，导致围岩变形失去控制而失去稳定性。高阻让压支护控制工作面的严控掘、留进巷道围岩变形。