马兰矿近距离采空区下巷道围岩控制技术应用

赵 轲

（西山煤电马兰矿，山西 古交 030200）

长期以来，煤炭一直是我国的主要消费能源。我国煤炭储量丰富，分布广泛，在许多矿区分布着多煤层煤炭资源[1-2]。在多煤层开采过程中，一般优先采用下行式采煤法，上煤层开采后，必将对底板岩层产生影响，直接影响到下煤层工作面布置及巷道围岩控制[3-6]。 李宗岑等[5]分析了近距离上位煤层开采对下伏底板岩层的破坏规律，赵瑞峰[6]通过分析近距离采空区下方巷道变形特征，确定采空区下巷道支护方案。

马兰矿南五采区可采煤层共计2 层，分别为02#煤、2#煤。 根据矿井开拓方案，南五采区先期回采上部的02#煤，后期回采下部的2#煤，两层煤层间距5.5～10.0 m。 受到上部02#煤采空区影响，下部2#煤围岩遭到破坏，其巷道围岩控制难度较大，因此，下部2#煤巷道布置及围岩控制一直是影响马兰矿高效开采的难题之一。

1 工程概况

马兰矿南五采区内02#煤平均厚度2.31 m，2#煤平均厚度2.11 m，02#煤和2#煤均为近水平煤层，煤层结果简单，南五采区地质综合柱状如图1 所示。 南五采区2#煤首采工作面为12511 工作面，工作面上部为02#煤采空区（10511、10513 采空区）。 布置12511 工作面回采巷道时，计划将12511 运输巷布置在10511 采空区下方，12511 运输巷布置剖面相对位置如图2 所示。 根据邻近采区相似巷道掘进、维护情况，工作面回采巷道出现局部冒顶、片帮严重等大变形现象，制约了工作面的安全回采，亟需开展马兰矿12511 运输巷近距离采空区下巷道围岩控制技术研究。 根据采掘安全需求，马兰矿12511 运输巷设计为矩形断面，掘进宽度4 200 mm，掘进高度2 500 mm。

图1 综合柱状图

图2 马兰矿12511 运输巷相对位置

2 近距离采空区下煤层应力分布

为了解12511 工作面煤层应力环境，采用FLAC3D有限差分软件，以马兰矿12511 工作面生产地质条件为基础，建立12511 工作面开采计算模型。模型尺寸长×宽×高为200 m×40 m×80 m，其中上部为02#煤10511、10513 工作面，开采宽度均为87 m，工作面煤柱宽26 m，图3 为上部02#煤10511 工作面开采后，即上部煤层单侧采空时下部2#煤层应力分布情况。 图4 为上部02#煤10511 工作面开采、10513 工作面重复开采后，即上部煤层双侧采空时下部2#煤层应力分布情况。

如图3 所示，当上部02#煤层单侧采空时，沿上部02#煤柱边缘至采空（10511 采空区）方向，下部2#煤层内垂直应力整体呈衰减趋势；距上部02#煤柱边缘3.6 m 范围内，下部2#煤层内垂直应力大于原岩应力，属应力增高区；随着距上部02#煤柱边缘距离的继续增加，下部2#煤层内垂直应力逐渐减小并小于原岩应力，属于应力降低区；当距上部02#煤柱边缘距离大于16 m 时，下部2#煤层内垂直应力逐渐平衡稳定，此时下部2#煤层内垂直应力为原岩应力20%。

图3 上部煤层单侧采空时下部2#煤层应力分布

如图4 所示，当上部02#煤层双侧采空时，上部煤层煤柱下方的下部煤层内垂直应力相对集中，煤柱两侧采空区下方的下部煤层内垂直应力均呈衰减趋势；沿上部02#煤柱边缘至采空（10511采空区）方向，距上部02#煤柱边缘7.0 m范围内，下部2#煤层内垂直应力大于原岩应力，属应力增高区；随着距上部02#煤柱边缘距离的继续增加，下部2#煤层内垂直应力逐渐减小并小于原岩应力，属于应力降低区。

图4 上部煤层双侧采空时下部2#煤层应力分布

3 近距离采空区下巷道围岩控制技术

根据近距离采空区下煤层应力分布特征，上部02#煤10511、10513 工作面开采后，距上部02#煤柱边缘7.0 m 范围内，下部2#煤层内垂直应力大于原岩应力，属应力增高区，因此确定将12511运输巷沿上部煤层区段煤柱向采空区内错8.0 m布置 （巷帮距上部煤柱边缘水平距离为8.0 m）。基于此，设计近距离采空区下巷道支护参数，如图5 所示。

图5 12511 运输巷支护断面

1）顶板采用锚网索联合支护方式，锚杆采用φ20 mm、L2 000 mm 的左旋高强锚杆，间排距900 mm×900 mm，每排5 根。 锚杆采用加长锚固，配套1 支K2335（里侧）、1 支M2360（外侧）树脂锚固剂，锚杆采用14 mm 圆钢焊接的钢筋梯连接。锚索采用φ17.8 mm、L5 300 mm 的钢绞线，间排距1 800 mm×1 800 mm，每排2 根，锚索配套1 支K2360（里侧）、3 支M2380（外侧）树脂锚固剂。 锚索采用4 mm 的加厚W 钢带连接，金属网采用6 mm 钢筋焊接的钢筋网，规格4 000 mm×800 mm。

2）帮部采用锚网联合支护方式，锚杆采用φ20 mm、L2 000 mm 的左旋高强锚杆，间排距900 mm×900 mm，每排3 根，锚杆配套1 支M2360 树脂锚固剂。 锚杆采用14 mm 圆钢焊接的钢筋梯连接，金属网采用6 mm 钢筋焊接的钢筋网，规格2 400 mm×800 mm。

4 围岩控制效果测定与分析

现场监测了12511 运输巷围岩变形情况，结果如图6 所示。12511 运输巷围岩变形大概可分为3 个阶段，包括围岩结构失稳快速变形阶段、围岩结构调整慢速变形阶段、围岩结构调整稳定阶段。

图6 12511 运输巷围岩移近曲线

围岩结构失稳快速变形阶段处于12511 运输巷掘进初期（50 d 内）。 该阶段主要是开挖导致巷道围岩结构失稳，从而出现快速变形现象，阶段内巷道顶底板相对移近速度约3.6 mm/d，两帮相对移近速度约2.6 mm/d。 围岩结构调整慢速变形阶段是在巷道掘出一定时间后（50～90 d）。 该阶段巷道围岩结构逐渐调整，巷道变形速度逐渐减缓，阶段内巷道顶底板相对移近速度约2.4 mm/d，两帮相对移近速度约1.6 mm/d。 围岩结构调整稳定阶段在巷道掘出较长时间后（90 d 后）。 该阶段巷道围岩结构调整至稳定，巷道围岩变形速度逐渐向0 mm/d 趋近。 12511 运输巷掘巷稳定后，巷道顶底板相对移近量约289 mm，两帮相对移近量约195 mm，12511 运输巷围岩变形整体可控。

5 结语

近距离煤层开采扰动底板破坏，导致下部煤层回采巷道维护困难。 以马兰矿12511 运输巷为工程背景，分析了近距离采空区下煤层应力分布特征，上部02#煤层单侧采空时，距上部02#煤柱边缘3.6 m 范围外，下部2#煤层属应力降低区；上部02#煤层双侧采空时，距上部02#煤柱边缘7.0 m 范围外，下部2#煤层属应力降低区。 基于此，确定将12511 运输巷沿上部煤层区段煤柱向采空区内错8.0 m 布置，同时，设计了近距离采空区下巷道支护方式及参数，12511 运输巷掘巷稳定后，巷道顶底板相对移近量约289 mm，两帮相对移近量约195 mm，实现了马兰矿12511 运输巷的稳定控制。