上覆不规则采空区矿压规律研究及巷道支护优化

周立超 刘 乐 王清华

（山东安实绿色开采技术发展有限公司，山东 济南 250031）

某煤矿一水平四采区进入了收尾阶段，接替的五采区正在开拓，面临采掘接续紧张、资源回收难度大等问题。4311 工作面北、南、西三侧为断层，东侧为采空区，上覆存在不规则采空区，地质和工程条件的复杂性造成该面回采将面临矿压分布复杂、应力集中、支护困难等问题，研究该工作面的矿压规律和巷道支护优化是非常有必要的[1-2]。

1 工程概况

1.1 工作面位置及井上下关系

4311 工作面位于四采区西端（图1），南侧为DF40 断层，北侧为DF54 断层，西侧为ⅣF19 断层，东侧为4302 工作面（于2019 年回采完毕）。煤层均厚8.1 m，部分区域已采3.2 m（4301（1）工作面于2011 年回采完毕）。4311 工作面开采3 煤层，综放工艺，地面标高+34.797 m，埋深430～518 m。工作面地表受附近4301、4302、4303 工作面开采影响，已出现不同程度下沉。补1 孔位于工作面内，封孔质量合格。由于本井田松散层较厚，埋藏较深，地表水体与井下各直接含水层无水力联系。

图1 4311 工作面位置图

1.2 地层

井田位于济宁煤田含煤带的南端，属华北型全隐蔽地层，由老到新发育有奥陶纪马家沟群，石炭～二叠纪月门沟群本溪组、太原组、山西组，二叠纪石盒子群，侏罗～白垩纪淄博群三台组及第四系。

1）奥陶纪马家沟群（O2-3M）

区内有13 个钻孔揭露，揭露最大厚度为75.08 m，属八陡组。岩性主要为灰～褐灰色厚层状石灰岩、白云质灰岩、夹泥灰岩及少量的钙质泥岩。岩溶较发育，为煤系下伏地层的主要含水层。

2）石炭～二叠纪月门沟群（C2P2Y）

① 本溪组（C2b）

区内共有11 个钻孔揭露， 地层厚度19.97～37.85 m，平均20.21 m。岩性主要为灰、灰绿、深灰、紫色黏土岩、粉砂岩及铝铁质泥岩。底部常为一层灰、紫等杂色铝铁质泥岩，相当于G 层铝土及山西式铁矿层。为一套海陆交互相沉积，与下伏奥陶系地层假整合接触。

② 太原组（C2P1t）

区内共有45 个钻孔揭露， 地层厚度152.63～189.89 m，平均171.91 m。岩性主要由灰、深灰色及灰黑色泥岩、粉砂岩、浅灰色中、细砂岩与薄层石灰岩及煤层组成。富含生物化石，局部具冲蚀现象。含薄煤20 层，其中可采及局部可采3 层，含石灰岩12 层，三、十灰稳定且厚度大，五、六、九灰较稳定。本组以十三灰底与本溪组分界，为本井田主要含煤地层之一，与本溪组连续沉积。

③ 山西组（P1-2s^）

区内共有48 个钻孔揭露， 地层厚度31.90～74.78 m，平均为59.08 m。岩性主要由浅灰、灰白、灰绿色中、细粒砂岩，深灰、灰色粉砂岩、泥岩及煤层组成。含煤3层，为井田主要的含煤地层。与太原组整合接触。

3）二叠纪石盒子群（P2-3s^）

揭露最大残厚158.61 m。岩性主要为黄绿、灰、紫等色泥岩、粉砂岩夹灰绿色砂岩。含B 层铝土岩，但本区不发育，底部为一层不稳定的厚层状砂岩与山西组分界。属温热条件下的河湖相沉积。

4）侏罗～白垩纪淄博群三台组（J3K1s）

区内共有47 个钻孔揭露，最大残留厚度341.30 m，揭露平均厚度234.74 m，因后期剥蚀，从西向东渐薄，乃至完全剥蚀。根据物性特征及岩性可分为上、下两段。

下段：最大残留厚度为75 m，平均40 m，不稳定，9 线附近最厚。岩性主要为暗紫、紫红色中、细粒砂岩及砾岩，局部夹泥岩薄层。8 线以北砾岩较发育，一般为10～50.40 m，岩石坚硬。属干热条件下洪积、冲积相沉积，相当于区域地层侏罗系的第二段。与下伏地层不整合接触。

上段：最大残留厚度283.60 m，平均194.74 m。岩性主要为紫灰、暗紫色常夹灰及灰绿色中、细粒砂岩及砾岩透镜体，上部含较多粉、细砂岩。砂岩多为泥质胶结，斜交层理发育，属冲积及湖相沉积。

5）第四系（Q）

区内共有73 个钻孔揭露， 地层厚度259.63～329.30 m，平均299.69 m。由东向西变厚，根据岩性及物性特征可分为三组四段，为黄褐、灰、灰绿等色黏土、黏土质砂、砂、砂砾层，东北薄，西南厚，属冲积、洪积及湖相沉积。

下组下段：厚度39.00～97.00 m，平均69.70 m，主要以灰白、灰绿色半固结状黏土、钙质黏土、砂质黏土为主，次为灰白、淡绿色的含黏土粉细砂。

下组上段：厚度50.10～102.50 m，平均79.56 m，主要由灰绿、褐黄等色黏土、砂质黏土和淡绿、灰白色的中、细、粗砂及含黏土砂砾组成。其中砂砾类的厚度占55%。

中组：厚度42.30～98.80 m，平均66.26 m，系一套湖相沉积，灰绿、灰白色的黏土、钙质黏土地层，偶夹黏土质粉、细砂透镜体。本组最显著的特征是中、上部有1～3 层碳酸盐沉积，厚度8.10～58.30 m，平均39.26 m，部分半固结，局部固结，偶有孔洞和裂隙。

上组：厚度72.00～94.10 m，平均84.17 m。地表均为灰褐～褐黄色的黏土、膨胀性和黏性均很强。上部以褐黄色的黏土、砂质黏土为主，夹淡黄、浅灰色的黏土质砂、粉细砂层，以湖相沉积为主，下部以棕黄色砂质黏土为主，次为灰黄色黏土质砂、浅黄色的中、细砂层，属湖相-河流相沉积。

Gain（上课出勤次数）＝I（S1，S2，S3，S4）-E（上课出勤次数）＝1·972048-1·479893＝0·492155

1.3 煤层顶底板情况

直接顶板为灰-灰黑色砂质泥岩，厚约1.0 m；基本顶为深灰色粉砂岩，厚约3.0 m，粉粒结构，水平层理。局部区域上分层开采后，现为再生顶板，顶板胶结不好，岩性比较破碎，为软岩类顶板。直接底为深灰色泥岩，厚约1.2 m；基本底为浅灰色细砂岩，厚约11.0 m。回采巷道沿煤层底板掘进。顶底板情况详见表1。

表1 工作面顶、底板情况表

1.4 地质构造

工作面为一向NW 倾斜的单斜构造。根据三维物探及邻近开采工作面巷道实际揭露情况，工作面掘进期间将揭露断层3 条，其中DF54 断层落差4.0～6.3 m，对轨道联巷掘进有一定影响。DF40、ⅣF19 断层布置在工作面外已留设断层煤柱，对掘进影响较小。本工作面地质构造复杂程度中等。工作面内无岩浆岩侵入，无冲刷带、陷落柱等。

2 工作面矿压特征分析

2.1 数值模型的建立

FLAC3D是一种三维快速拉格朗日分析程序，能较好地模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏或塑性流动的力学行为，特别适用于分析渐进破坏和失稳以及模拟大变形。由于无须形成刚度矩阵，因此，基于较小内存空间就能够求解大范围的三维问题。基于上述计算功能及材料模型，FLAC3D比较适用于地下开采的分析与设计[3]。

根据地质资料，DF40、DF54 在4311 工作面开采范围之外且为正断层，ⅣF27 为已查明的逆断层，其落差较小。由地质资料初步判定断层对工作面巷道掘进、回采的影响较小，因此在数值模拟过程中进行简化，不考虑构造及构造应力对掘进和回采的影响。所建立的数值模型在范围上包含4311与4301（1）工作面的斜交部分，可以反映4311 工作面主体部分的矿压分布特征。

模型的建立以煤矿3 煤层为原型，煤层厚度8.1 m，模型沿工作面走向方向宽度300 m，沿倾向宽度350 m，高度为150 m。数值模型见图2 所示，以4311 工作面走向为X 方向，以工作面倾向为Y方向，以竖直向上为Z 方向。

图2 数值模型

2.2 上覆4301（1）工作面采后矿压特征

4311 工作面与4301（1）工作面斜交布置，因此4311 工作面回采巷道（4311 工作面轨道巷、4311 工作面运输巷和4311 工作面开切眼）的稳定性会受到4301（1）采空区边界支承压力的影响。4301（1）工作面开采后，沿煤层与直接顶交界面做剖面如图3，得到工作面采后矿压分布特征。

图3 采后矿压分布

根据图3，开采范围内原岩应力水平约12～15 MPa。4301（1）工作面为上分层开采，采后工作面侧向支承压力约25～45 MPa，应力集中系数1.6～3.0。局部范围内支承压力超过60 MPa，其解释为：所采用的数值模拟方法为有限差分法，不能完全实现煤壁的破裂和充分卸压。模拟过程中煤帮存在应变硬化现象，导致应力集中程度超出现场实际情况。因此，可认为应力值过高地区域已处于峰后卸压区。另外，4301（1）工作面于2011 年采出，可认为其上覆岩层运动已达到稳定状态，工作面边界支承压力会有所下降。以模拟所得应力值超出20 MPa 的范围（包含峰后卸压区）作为开采扰动影响区，根据模拟结果得出扰动区的范围约30 m。因此，初步建议对距离4301（1）采空区30 m 范围以内的回采巷道进行加强支护，其范围用粗实线标注，如图4。

图4 巷道加强支护段（m）

2.3 4311 工作面回采期间矿压特征

图5 回采期间垂直应力分布图

根据应力云图的分布特征，将全工作面内的开采扰动影响程度分为三个等级：1）低，应力值小于20 MPa，推采期间支架位于4301（1）采空区下方；2）中，应力值约25～55 MPa，位于4311 工作面运输巷全段、4311 工作面开切眼全段；3）高，应力值约35～60 MPa，局部超过60 MPa，主要为两工作面支承压力叠加区，位于4311 工作面轨道巷与4301（1）工作面边界的交叉点（动态）外侧、4311 工作面回采煤壁与4301（1）工作面后方边界的交叉点（动态）外侧。4311 工作面推采期间，对应的三个压力区域在图6 中标出。

图6 应力区分布图（m）

图7 为工作面回采期间塑性区分布。工作面回采煤壁同时发生剪切和拉伸屈服，工作面边界主要发生剪切屈服，工作面底板在推采过程中同时发生剪切与拉伸屈服。4311 工作面推采过程中，运输巷道主要受到本工作面支承压力的扰动，扰动区帮部塑性区范围约1.5 m；轨道巷在两工作面斜交边界处受到叠加支承压力的影响，应力叠加区塑性区范围约1.5～3 m。

图7 塑性区分布

以上从应力、塑性区分布特征对巷道顶板压力特征进行了初步分析。数值模拟结果表明，受4311工作面回采支承压力的影响，回采巷道在不同位置、不同时间的围岩应力状态有区别。因此需在掘巷、回采阶段根据不同区域的应力特点，采取分区域支护对策[4-5]。

3 巷道支护参数优化

根据前述分析结果，认为4311 工作面轨道巷不同区间的应力分布最复杂，因此以该轨道巷为例，对其支护参数进行深入分析。轨道顺槽为梯形断面，掘进断面面积10.65 m2，净断面面积9.1 m2，采用11#工字钢架棚支护，棚距为1000 mm，选择长3.5 m 的棚梁（棚梁最大支点间距为3.2 m）。11#工字钢主要尺寸参数为：截面积31.72 cm2，理论质量26.05 kg/m，截面参数为Ix867.1 cm4、Wx144.5 cm3、Iy178.2 cm4、Wy37.5 cm3，如图8。

图8 轨道顺槽断面图（mm）

如图8 所示，针对轨道巷粗实线部分加强支护段进行优化，借鉴相邻工作面及该矿类似工程实践经验，建议在初始架棚设计的基础上增加单体液压支柱。顶板和帮部铺设镀锌金属网，镀锌金属网规格为900 mm×2400 mm。金属网搭接100 mm，采用10#铁丝连接，连接间距不大于100 mm，支护模型图如图9。需在初始架棚支护设计的基础上，将帮部塑料网改为金属网，参数同上。另外，此区间围岩压力小，可根据现场实际情况适当增大架棚排距。其他区间采用初始架棚支护设计。

图9 优化支护方案

如图10 所示，通过塑性区分布特征对初始支护方案和优化支护方案的效果进行对比分析。采用单体液压支柱加强后，在4301（1）采空区边界附近，巷道顶底板塑性区范围有缩小的趋势，说明采取加强支护措施有助于巷道围岩屈服状态的改善。

图10 优化支护方案塑性区对比

如图11 所示，4311 工作面轨道巷的超前支护应分段实施：

图11 轨道巷超前支护分段区间（m）

1）4311 工作面初采段约40 m，该段处于上方采空区边界支承压力区范围内，4311 工作面推采前需对该段进行超前支护，可采用单体液压支柱。该段推采过程中，4301（1）采空区下方巷道可不进行超前加强支护。

2）4311 工作面推采至4301（1）采空区下方，约160 m，该段属于卸压区，轨道巷可不采取超前加强支护措施。

3）4311 工作面推采至4301（1）采空区边界前后方各约30 m（图中64 m 处），轨道巷一侧支承压力达到40～45 MPa（局部60～70 MPa，可理解为噪点），集中系数达到4，建议其超前支护措施为单元支架加单体支柱，超前支护距离≥60 m。

4）在4311 工作面推采过4301（1）采空区边界外侧30 m 位置（图中标注30 m 处），建议轨道巷超前支护措施为单体液压支柱，超前支护距离不小于30 m。

4 结论

通过FLAC3D数值模拟分析得出4311 工作面的矿压分布特征，回采初始期间工作面侧向支承压力约25～45 MPa，应力集中系数为1.6～3.0；回采期间工作面边界支承压力约30～60 MPa，应力集中系数为2～4。轨道巷加强支护方案可在原架棚支护的基础上增加单体液压支柱，顶板和帮部铺设镀锌金属网，镀锌金属网规格为900 mm×2400 mm，金属网搭接100 mm，采用10#铁丝连接，连接间距不大于100 mm。超前支护方法和距离，根据应力分布特征在不同区段采取相应措施。