近距离煤层采空区及煤柱下巷道分区支护研究

张晓亮 宋选民 刘 成

(1. 太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室，山西省太原市，030024；2. 山西介休义棠城峰煤业有限公司，山西省晋中市，030600)

传统的煤炭开采一般采用下行开采顺序，对于近距离煤层，上层煤开采之后，受顶板垮落及区段煤柱的作用，采空区及区段煤柱下的应力状态重新分布[1-2]，煤柱应力向底板传递，改变下层煤顶底板的围岩应力条件，下层煤顶板受到不同程度的破坏，使围岩受力复杂、支护难度大，巷道支护及维修成本高，不利于矿井安全高效生产。国内对近距离煤层一般将回采巷道布置于区段煤柱下方的应力降低区[3]，回采巷道一般与上覆区段煤柱平行。国内外学者对于下层巷道布置方式(与区段煤柱的错距)及支护方式进行过很多研究[4-6]，也取得相当不错的成果。

对于回采巷道垂直或斜交上覆煤层区段煤柱且区段煤柱宽度和煤层间距不均匀的情况，巷道掘进过程中要不断进出区段煤柱下方区域，且受工作面采动影响严重[7]。下层巷道支护面临的主要问题包括：垂直应力和水平应力集中明显，顶板易发生弯曲下沉；巷道围岩裂隙发育，顶板完整性遭到破坏，自承能力下降；煤柱应力和采动应力叠加使巷道维护难度增大[8]。因此，为减轻上覆采空区及区段煤柱的影响，回采巷道处于上覆区段煤柱的影响范围内时，应采取措施加强巷道的支护。根据不同围岩应力条件和所受的动压情况，进行分源控制、分区支护、主动支护，确保巷道掘进及回采安全。采用数值模拟手段，研究不同宽度区段煤柱下回采巷道的应力分布及变形规律，并依此对巷道进行分区，对巷道受掘进及采动影响下的支护进行研究，为采空区及区段煤柱下回采巷道支护提出合理的建议。

1 工程概况

山西城峰煤业井田西南部为10#煤层和11#煤层合并区，合并后10#煤层厚度为3.65～8.35 m，平均7.4 m，煤层倾角为6°～8°，煤层埋藏深度为350～390 m，煤层含多层夹矸，属简单结构煤层，稳定可采。合并区内10#煤层采用走向长臂采煤方法，回采工艺为综放开采，工作面长度164 m，采高2.8 m，采用全部垮落法管理顶板，煤层顶底板为砂质泥岩。根据现场调研情况及现场窥视结果，该区域合并区内10#煤层开采存在以下特点：

(1)9#煤层已经采空，采空区之间区段煤柱宽度为15～30 m；

(2)钻孔窥视结果显示9#煤层采空之后，采空区底板的破坏深度为1.0～2.0 m；

(3)10#煤层与9#煤层间距变化较大，且层间距不均匀；

(4)10#煤层顶板之上0～7 m范围内为比较稳定的岩层，煤层顶板以泥岩和砂质泥岩为主。

10#煤层工作面回采巷道沿煤层底板布置，与9#煤层区段煤柱垂直。10#煤层工作面回采巷道及9#煤层采空区的相对位置关系见图1。受上覆9#煤层采空区及区段煤柱的影响，10#煤层巷道顶板应力状态受到破坏，10#煤层工作面回采巷道要不断横穿上覆区段煤柱，10#煤层工作面回采巷道围岩存在不同程度的应力集中现象，且受10#煤层工作面采动影响，巷道非工作帮的应力集中及巷道变形比较明显。针对9#煤层和10#煤层的赋存情况，对10#煤层工作面回采巷道的应力状态和支护方式进行研究。

2 模型的建立及模拟方案

采用Flac3D数值模拟结合Tecplot分析软件，在9#煤层采空的情况下，对不同宽度区段煤柱下方的应力分布、10#煤层回采巷道受采动影响时巷道围岩的应力、位移量、破坏范围进行分析，给出回采巷道合理的支护方案。

2.1 数值模型的建立

本次数值模拟9#煤层厚度为1.3 m，10#煤层厚度为7.4 m，层间距10 m，建立三维数值模型尺寸为320 m×210 m×100 m，共划分390432个单元、409317个节点。模型的三维立体图见图2。模型4个侧面及底部为固定边界，顶部施加垂直应力(按10#煤层最大埋深380 m考虑)，侧压系数取1.1。模型中各地层的参数见表1。

表1 模型各地层的物理参数

图2 三维数值模型图

2.2 数值模拟方案及过程

(1)数值模拟时先进行9#煤层工作面的回采开挖，9#煤层区段煤柱宽度设置4个方案，分别取15 m、20 m、25 m、30 m，如图3所示，9#煤层回采之后运算至平衡；分析不同宽度区段煤柱宽度时，9#煤层区段煤柱内及其下方10#煤层的应力分布规律。

图3 开挖模拟方案示意图

(2)进行10#煤层工作面回采巷道掘进及工作面回采(10#煤层工作面为综放开采，采高2.8 m，工作面长度164 m，区段煤柱宽度25 m)；以受两次采动影响的工作面回风巷为研究对象，结合9#煤层区段煤柱下方的应力分布规律，对不同区段的回采巷道的支护参数进行分区设计优化，并对其支护效果进行数值模拟验证。

3 区段煤柱下应力分布规律数值研究

利用数值模拟方法，结合9#煤层和10#煤层的层间距，研究9#煤层开采之后不同宽度区段煤柱时10#煤层顶板的应力分布状态。

9#煤层未开采时，10#煤层顶板的原岩应力约为9.7 MPa。9#煤层被长臂采空，工作面之间区段煤柱宽度为15 m、20 m、25 m、30 m。9#煤层开采之后，区段煤柱所承受的应力向底板传递，10#煤层顶板的应力状态重新分布，9#煤层采空区下方岩层的应力得到释放；9#煤层区段煤柱所受应力向底板传递，导致10#煤层工作面回采巷道顶板应力集中。将Flac 3D数值模拟结果导入Tecplot，得到不同宽度区段煤柱下方10#煤层及其顶板的应力分布等值线图见图4；不同宽度区段煤柱下方10#煤层巷道顶板垂直应力变化曲线见图5。

由图4可知，位于采空区下方的10#煤层顶板垂直应力由原岩应力(9.7 MPa)降低为3～5 MPa，为原岩应力的30%～50%。从应力的角度分析，位于9#煤层采空区下方的巷道处于应力降低区，在巷道顶板完整性较好的情况下，有利于巷道的维护。

图4 不同宽度区段煤柱下方应力分布

图5 10#煤层巷道顶板垂直应力变化曲线

对比图4不同宽度区段煤柱下围岩的应力等值线分布并结合图5可得出以下研究结论：

(1)15 m煤柱由于其宽度较小，在区段煤柱内形成“单核”应力集中区；

(2)20 m、25 m、30 m区段煤柱内形成“双核”应力集中区；

(3)结合图5分析可知，区段煤柱下方的围岩的垂直应力均超过原岩应力，且应力增高区影响范围已经超过区段煤柱宽度；

(4)区段煤柱中心线正下方应力最大，10#煤层顶板垂直应力为18～22 MPa，应力集中系数为2～2.5；

(5)随着煤柱宽度的增大，10#煤层顶板对应位置的垂直应力也逐渐变小。

由图5可以看出，9#煤层不同宽度区段煤柱影响的应力增高区范围不同。不同宽度区段煤柱的应力分布情况见表2。

表2 不同宽度区段煤柱应力分布情况统计表

结合图5和表2可以看出：

(1)与原岩应力(9.7 MPa)相比，不同宽度区段煤柱应力集中范围分别为33 m、35 m、38 m、41 m，其与煤柱宽度的比值为2.2、1.75、1.52、1.37；

(2)除去煤柱宽度，分别在进出煤柱9 m、7.5 m、6.5 m、5.5 m范围内的应力相对比较集中，煤柱宽度越大，煤柱前后的影响范围越小；

(3)与采空区应力(最大5 MPa)相比，不同宽度区段煤柱前后21.5 m、15 m、14.4 m、14.6 m 范围内的应力较大。

综合不同宽度的区段煤柱的应力分布情况，10#煤层回采巷道与9#煤层区段煤柱垂直布置时，受上覆9#煤层采空区和区段煤柱的影响，按照10#煤层巷道顶板的不同应力状态，将10#煤层工作面回采巷道分为应力降低区(≤5 MPa)、应力增高区(5～9.7 MPa)、应力集中区(≥9.7 MPa)3个应力区，如图6所示(距离的正负分别表示煤柱两侧距离煤柱中心线的距离)。10#煤层回采巷道不同应力分区距离煤柱中心线的距离分别为≥35 m、20～35 m、0～20 m。

图6 回采巷道应力分区示意图

4 回采巷道分区支护研究

4.1 回采巷道分区支护设计

工作面回采巷道稳定性受煤柱应力、巷道掘进、工作面回采、二次采动等因素的影响，其中二次采动对巷道稳定性的影响最剧烈。结合该矿的实际情况，对于10#煤层不同应力区段的巷道支护，应遵循一次主动支护、高强度低密度、经济合理性等原则，结合巷道所处的应力环境和变形特征进行分区、分源、主动支护。从巷道围岩应力分析，为使巷道在受工作面采动影响时保持较好的稳定性，当巷道处于应力增高区和应力集中区时，应针对巷道的不同应力和顶底板条件采用不同的巷道围岩支护方案。

10#煤层工作面回风巷受相邻工作面和本工作面两次采动影响，破坏严重且服务年限比较长，故本次分区支护研究以工作面回风巷为例，对9#煤层20 m区段煤柱下回采巷道的稳定性进行研究。工作面回风巷沿煤层底板掘进，矩形断面，断面尺寸为3.9 m×2.8 m。

对于工作面回风巷不同的应力分区，分别给出3种不同的支护方案，不同支护方案区别在于巷帮的支护强度：采空区下方巷道即应力降低区，帮锚杆间排距为1000 mm×900 mm；应力增高区增加巷帮支护密度，帮锚杆间排距变为800 mm×900 mm；考虑到应力集中区应力集中现象明显，且受两次采动影响严重，帮锚杆间排距变为800 mm×900 mm，并在非工作帮增加帮锚索加强支护。巷道不同分区的支护方案见表3。

表3 工作面回风巷分区支护方案表

4.2 巷道分区支护数值模拟结果

当巷道位于区段煤柱下方且受两次采动影响时，巷道受力最复杂，巷道围岩控制难度最大。采用应力集中区加强支护方案，巷道掘进及两次采动影响时期的稳定状态图见图7(图中巷道左侧为工作帮，右侧为煤壁帮)。应力集中区巷道各时期垂直应力见图8。

图7 应力集中区巷道各时期塑性区分布

图8 应力集中区巷道各时期垂直应力

由图7和图8可以看出，巷道掘进时期围岩稳定性较好，塑性区破坏较少，巷道应力集中于巷道两帮，呈对称分布，巷帮应力集中系数为2.4。相邻工作面回采之后，垂直应力集中于非工作帮的煤壁内，对巷道工作帮的影响比较明显，巷帮破坏深度约为1.0 m；由于煤柱帮锚索的作用，煤柱帮的塑性破坏较小，破坏深度为0.5～1.0 m，巷道围岩整体处于稳定状态；巷道围岩变形量较小。受本工作面超前采动影响时，巷道工作帮及底板破坏比较明显，巷道工作帮煤壁破坏深度增加0.5 m，局部区域帮部破坏延伸到巷道顶板；煤柱帮由于锚索的加强支护，本工作面采动时巷帮破坏无明显增加，巷道工作帮变形量约为煤柱帮变形量的1.4倍，巷道整体比较稳定。应力集中区巷道加强支护，尤其是煤柱帮锚索加强支护效果明显，能较好控制应力集中区的巷道围岩。

5 研究结论

(1)回采巷道垂直上覆区段煤柱时，区段煤柱下方应力均超过原岩应力，煤柱中心线正下方应力最大，且随着煤柱宽度的增大，巷道顶板对应位置应力越小；区段煤柱越宽，应力集中区与煤柱宽度的比值越小。

(2)依据10#煤层回采巷道顶板所受垂直应力，将巷道分为应力降低区、应力增高区、应力集中区3个应力区，分区距离煤柱中心线距离分别为≥35 m、20～35 m、0～20 m。

(3)针对不同的巷道应力分区、采动影响情况等因素，考虑到巷帮应力集中现象明显，对应力增高区、应力集中区巷道帮部采取减小帮锚杆间排距并增加帮锚索的加强支护方式，能较好地控制区段煤柱下方的巷道围岩。