近距离煤层群回采巷道破坏特征与支护稳定控制探讨

武兴贵

（山西离柳焦煤集团有限公司，山西 孝义 032300）

近距离煤层群在我国分布广泛，许多矿井在近距离煤层开采中都遇到关乎矿井安全高效开采的问题[1-5]。山西离柳焦煤矿为多煤层开采，与单一煤层相比，下部煤层开采之后，处于上方的中部煤层会在一定区域内形成应力集中区域和应力降低区域，同时下部煤层的开采还会使得岩层产生较大的移动变形，下部煤层回采形成的断裂区域或者裂隙区域会向上发展，延伸区域可能会到达中部煤层[6-12]。所以有必要针对离柳焦煤矿具体情况对回采巷道支护进行研究以便保证矿井安全高效的开采。

1 工程概况

山西离柳焦煤矿在开采完上部较厚的7煤和与7煤距离较近的8煤后，越过了处于中部的9煤，开采了下部煤层较厚的12煤。在7煤、8煤与12煤开采之后，为了延长矿井生产年限，提高资源回收率，9煤也需要进行开采。9煤位于上部煤层7煤、8煤与下部煤层12煤之间，9煤属于中部煤层，7煤、8煤、12煤工作面全部采用垮落法处理采空区，因此9煤的开采将受到7煤、8煤和12煤开采后形成的双重采空区影响，部分区域还存在煤层开采后形成遗留的区段煤柱，中部9煤的应力分布与围岩破坏情况都会受到极大的影响，合理选择中部煤层9煤回采巷道布置方式尤其重要。上部8煤层1681、1682、1683工作面已于2010年开采完毕，上部7煤层1671、1673工作面已开采完毕，下部12煤层1622工作面已于2015年开采完毕。9煤与8煤间距为1.2～10.8 m，平均间距5.6 m，与下部12煤间距31 m。1681、1682工作面间残留有区段保护煤柱，宽度为8 m。上部8煤层1681西、1682西已采毕，上部7煤层1671西、1673西已采毕，下部12-1煤层1622西已采毕。煤层剖面示意图如图1。

图1 煤层剖面示意图

2 不同错距回采巷道破坏特征规律分析

2.1 回采巷道布置区域应力改变率分布

对于近距离煤层群开采，在上部煤层7煤、8煤与下部煤层12煤开采后，9煤煤层的垂直应力分布如图2。在中部煤层9煤煤层不同部位存在应力增高区与应力降低区，应力峰值可达到30 MPa。以下部煤层1622工作面两侧煤壁为边界，错距在-5 m～5 m（采空区外侧为负，内侧为正）为应力增高区，若不考虑应力变化率的影响，回采巷道只需布置在采空区内侧或采空区外侧煤壁5 m处即可。

图2 煤层的垂直应力分布

由应力变化率公式处理测线应力数据，可得应力变化率曲线如图3。图中黑色实线是下部煤层12煤1622工作面两侧煤壁界限，黑色虚线为垂直应力改变率拐点，在煤壁边界两侧的黑色虚线之间垂直应力不均衡程度较大，不适合布置回采巷道。从图中可以看出，采空区内侧30 m及煤壁侧5 m外垂直应力变化率较低且在一定区域内趋于稳定，在上部7煤、8煤残留煤柱。煤壁影响的区域垂直应力变化率又变得很大且不稳定。所以，根据垂直应力变化率分布的情况，中部煤层9煤回采巷道的布置应该内错30 m或者外错10 m。

图3 上下煤层开采后9煤垂直应力变化率分布曲线图

结合对垂直应力分布及垂直应力变化率的分析，以下部煤层12煤1622工作面两侧煤壁为界限，上部煤层7煤、8煤与下部煤层12煤开采后，9煤沉降位移不会对回采巷道布置产生较大影响，以1622工作面两侧煤壁为界限，煤壁侧0～25 m和采空区10～20 m范围内是裂隙富集区域，所以结合对裂隙、应力的综合考虑，中部煤层9煤回采巷道应该外错25 m或者内错30 m布置。

2.2 不同错距回采巷道破坏特征及围岩变形量

通过在巷道顶底板岩层及两帮煤层中心内设置监测点，用来观测巷道开挖前后的顶板下沉量、底板鼓起量及两帮的移近量，如图4。上部煤层7煤、8煤与下部煤层12煤开采稳定后，在中部煤层9煤不同位置处开挖回采巷道。内错式布置即在1622采空区上方布置回采巷道，其顶底板移近量要小于外错式布置，外错式布置巷道时，顶底板移近量随着错距的减小而增大。当巷道外错5 m布置在下部煤层12煤实体煤区域上方时，回采巷道处于裂隙富集区与应力变化率较高的区域，巷道顶底板移近量可达到435 mm；当巷道处于重叠式布置时，回采巷道布置位置处于高应力与应力变化率较高的叠加区域，回采巷道顶底板移近量达到461 mm。当巷道由应力增高区进入应力降低区域后，巷道变形量显著减小，但是由于处于应力变化率较高的区域，顶底板仍会发生变形。当回采巷道布置位置再次进入裂隙富集区域后，顶底板移近量又会变大。当回采巷道布置在下部煤层12煤1622工作面采空区内30 m时，回采巷道的位置处于低应力区域且不受裂隙富集区的影响，回采巷道可以基本维持稳定状态。

图4 巷道围岩变形量

综上所述，回采巷道的围岩变形量随着从原岩应力区过渡到应力增高区再过渡到应力降低区，变形量依次经历了先增大后减小的变化。巷道围岩变形量最大的区域出现在应力增高区与强应力改变区，同时裂隙富集区域也会对巷道变形产生影响。在实际工程中，即使巷道布置在低应力区域，也会由于巷道围岩裂隙发育多，围岩破碎，增加巷道的施工与支护难度。

2.3 煤层回采巷道变形破坏特征及原因分析

煤矿最深开采水平为-850 m，较高的地应力与动压的双重影响会使得巷道围岩变形量较大。如图5，同一煤层开采时，相邻工作面会对巷道产生动压影响，上部煤层开采时也会对下部巷道产生动压影响。虽然已经将9煤回采巷道布置在9煤的低应力、低应力改变率及裂隙发育较少的区域，支护容易，但是由于上部煤层与下部煤层开采后对层间岩层的影响，在本煤层开采时回采巷道的矿压显现依旧强烈，在多因素的影响下巷道会出现顶板维护困难、两帮移近量大及底鼓现象严重等现象。

图5 回采巷道的变形破坏

3 煤层回采巷道支护设计优化方案

3.1 优化支护方案

锚索是由钢铰线组成的柔性支护材料，锚索与锚杆相比，可以发生一定程度的弯曲且长度不会受到所处空间的制约。由于锚索自身具有较强承受载荷的能力，在矿井支护中一般都会将锚杆与锚索配套使用。但是锚索的使用受到价格的制约，锚索位置的选择尤其重要，锚索布置位置合理可以对顶板和底板控制起到关键作用。如图6，具体优化支护方案为：锚杆预紧力55 kN，锚杆锚固剂选择的是树脂药卷，采用铁质托盘与木质托盘组合的方式与锚杆配套使用，木质托盘长150 mm、宽150 mm、厚30 mm，铁质托盘长120 mm、宽120 mm、厚10 mm。底角倾斜锚杆选择的是直径34 mm、长度2000 mm的无缝钢管，排距为800 mm，水平夹角为15°，配套使用金属网。

图6 回采巷道支护方案

3.2 变形控制监测

在临近采空区掘巷后，煤体原始应力状态受到破坏。在成巷的前10 d内，巷道顶底板收敛速率最大达到5.3 mm/d，两帮收敛速率最大达到4.1 mm/d。随着巷道围岩应力逐渐平衡，巷道收敛速度逐渐衰减，表现为观测的18～28 d内，大巷变形逐渐趋于缓和，巷道收敛速率变化较为平缓，巷道表面移近量近似直线增长。巷道顶底板位移曲线和两帮移近量曲线均在监测28 d后逐渐变平，表现为巷道收敛速率逐渐降低。监测36 d后，巷道顶底板收敛速率和两帮收敛速率都不超过1 mm/d，巷道围岩接近于平衡状态。整体来看，使用中空注浆锚杆索支护后，巷道围岩收敛率较小。

4 结论

本文通过分析回采巷道实际变形破坏情况及原有的支护方案，提出了支护设计优化方案，通过在不同位置处布置锚杆锚索及将锚杆、锚索、无缝钢管和金属网配套使用对回采巷道的顶底板及两帮起到有效的控制。该支护方式可以在一定程度上改善巷道周围应力状态，提升围岩强度。