残采工作面回采动压对下覆巷道围岩稳定性影响研究

牛国星,丁新启

(中煤平朔集团有限公司，山西 朔州 036000)

随着开采强度的不断增加,浅部煤炭资源更加稀缺,浅部煤炭资源在回采中因采掘部署、开采工艺、设备等因素影响,留下诸多三角煤等残采煤炭资源[1]。以中煤平朔井工一矿为例,矿井主采煤层为9#煤层,矿井剩余服务年限为3～5 a,矿井煤炭资源逐渐枯竭。为了提高煤炭回收率,减少煤炭浪费,迫切需要对上覆4#煤层残留煤炭资源进行回收,然而残采煤炭资源回采产生的动压会对9#煤层现有采煤、运输系统产生影响[2-7],是目前迫切需要解决的问题。

1 开采区域围岩赋存环境

1.1 残采工作面概况

井工一矿残采工作面位于4#煤层,残采工作面布置回采时充分利用已有4#煤层大巷系统,工作面走向沿太西采区4#煤层大巷布置,4#煤层主运大巷作为残采工作面运输顺槽,向西176 m新掘顺槽作为残采工作面的回风巷,走向长度529 m,残采工作面宽度176 m,工作面切眼沿14111辅运巷布置,残采工作面平面布置图，如图1所示。4#煤层平均厚度为8.39 m,9#煤层的平均厚度为12.71 m。根据矿井太西采区钻孔综合柱状图可知,4#煤层底板与9#煤层顶板间岩石平均间距为35.82 m,9#煤层大巷位于4#煤层主运大巷正下方,预计4#煤层的回采会对9#煤层大巷及回采工作面产生显著影响。

图1 矿井残采工作面平面布置图Fig.1 Layout of residual mining face

2 上覆工作面回采影响区域确定

2.1 残采工作面布置对4#煤层现有巷道的影响范围

残采工作面推进方向将频繁穿过与回采方向正交、斜交布置的4#煤层现有巷道。残采工作面切眼至设计停产线位置范围内与工作面推进方向垂直布置的现有4#煤层工作面顺槽共计660 m,各种联络巷340 m,硐室、交叉点等196 m,累计穿过4#煤层空巷长度1 196 m(不含4#煤层辅运大巷)。为保证残采工作面的安全高效回采,必须对受工作面超前应力影响的现存巷道采取加强支护措施,以满足巷道围岩抵抗工作面超前应力影响的需要。

2.2 工作面布置对9#煤层现有巷道的影响范围

9#煤层巷道位于残采工作面下方,现存的9#煤层巷道布置复杂,影响区域涉及正在回采的19110工作面顺槽、工作面对应机头调车硐室、交叉点等。据统计,受残采工作面回采影响的9#煤层区域正在使用的巷道长度为2 954 m。

由上述分析可知,残采工作面的回采会对9#煤层太西采区3条采区大巷、采区变电所等永久巷道与硐室产生影响,需要在了解原支护状况并且对回采动压影响程度进行预测的基础上,在残采工作面回采前,采取巷道围岩加固与支护措施,降低因残采工作面回采动压而造成的9#煤层采区永久巷道的变形破坏。

3 残采工作面回采对底板岩层应力影响分析

3.1 煤层采动底板应力传递规律分析

煤层开采前,底板岩体处于自然应力平衡状态,即原位应力。根据井工一矿巷道围岩地质力学测试结果可知,9#煤层的最大水平主应力为12.72 MPa,垂直主应力为6.9 MPa,最小水平主应力为6.95 MPa。根据相关判定标准,该区域最大水平主应力为中等应力,应力较高,加大了巷道自身的维护难度。

对于距离比较近的煤层,上部煤层残留煤柱形成的集中应力也将会向下部煤层传递和扩散[8-10]。当上覆4#煤层开采后,底板岩体应力场的初始平衡状态被破坏,导致应力重新分布,煤层开采后工作面周围的应力分布如图2所示。在回采工作面前方和侧向煤壁中会形成支承压力集中区,并向底板传递,而且一般状况下煤层底板最大应力沿煤壁前倾70°左右向底板扩散。当下部煤层巷道对于上部煤层形成的支承压力在底板传递至影响区域时,巷道维护难度将非常大,而在采空区下方会形成应力降低区,有利于巷道的维护。

图2 煤层走向采场及底板应力场分布状态示意图Fig.2 Stress field distribution in coal seam strike stope and floor

3.2 采动底板岩体受力状态规律分析

矿山开采条件下,底板岩体承受三向压应力。在工作面推进过程中,煤体支承压力沿推进方向的变化将依次经历正常地应力、最大支承压力、卸压和应力恢复4个阶段,即:

(1)

式中:K为应力集中系数;ε为应力恢复系数;γ为岩层容重,kN/m3;h为采高,m。

1)煤层开采后,矿井压力引起的底板破坏主要是由于压力剪切作用引起的,而后发剪切裂隙是以原生裂隙在岩体中的扩展、演化和连续贯入为基础的,最终导致底板岩体破裂。

2)随着煤层工作面的推进,采空区增大,底板前后支护压力逐渐增大,一般表现为采空区越大,支护压力越大。底板承载力随深度的增加呈非线性下降趋势。

3)剪应力主要集中在煤壁两端底板中,其对损伤型底板的破坏程度最大,对完整型底板最小。

当底板岩体处于承载压力的影响范围内时,岩体中容易发生压力剪切破坏和裂隙。同时岩体中的原生裂隙也受支承压力的影响,可以相互发展和连接,从而破坏底板岩体。

3.3 底板采动破坏深度预测

通过对9#煤层开展底板采动破坏深度微震实时获取与动态预测等相关研究,根据回采工作面的微地震监测结果,计算出现场底板采动破坏的实测深度。为了减小误差,采用不同开采阶段底板开采最大破坏深度的平均值参与计算。具体数据样本见表1。

表1 底板采动最大破坏深度数据统计表Table 1 Statistical table of the maximum failure depth of mining floor

根据研究成果,总结出了适用于井工一矿的底板强度破坏深度预测公式:

(2)

式中:γ为上覆岩层容重,取2 200 kg/m3;α为抗压强度比(抗拉强度与抗压强度的比值);θ为极角,(°);pc为底板岩层抗压强度,MPa;hcs为采深,m;L为工作面斜长,m。

根据井工一矿残采工作面地质概况和围岩地质测试结果可知,残采工作面的走向长度529 m,残采工作面宽度176 m,拉压强度比值为1/8,极角度70°,采深280 m,底板岩层抗压强度为35 MPa,经计算得出底板强度破坏深度为42.73 m。目前井工一矿4#煤层底板同9#煤层的层间距在31.24～43.70 m之间,平均35.61 m,可见上部上覆4#煤层残采工作面回采对9#煤层巷道顶板锚索支护范围内的围岩稳定性及完整性造成了一定程度的破坏。残采工作面对于下部工作面的影响主要是上部工作面回采后遗留煤柱对下部巷道的影响,目前19112辅运顺槽位于上部14111和14112工作面采空区相邻煤柱下方,巷道在服务期间矿压显现,部分地段出现了明显的底鼓变形,如图3所示。

图3 19112辅运巷底鼓变形图Fig.3 Floor heave of No.19112 auxiliary haulage roadway

4 对应9#煤层影响区域巷道加固措施

9#煤层采区大巷位于残采工作面机头的正下方,考虑到9#煤层采区大巷为永久大巷,后续服务9#煤层太西采区的全部工作面,服务年限长,对矿井的正常生产影响较大。需对动压影响区域的9#煤层采区大巷进行围岩稳定性监测工作,确保服务期间的巷道安全与围岩稳定。在此针对不同影响阶段,分别采取了必要的加强维护技术措施。

1)上覆残采工作面回采前:强力锚索加强支护。为提高矿井上覆残采工作面回采动压作用下9#煤层采区大巷影响段的整体抗动压扰动能力,在工作面回采前以提高巷道围岩的整体抗扰动能力为主,采用强力锚索+高强度拱形托板为主的支护方式[11-14],联巷交叉点附近的补强锚索增加必要的连接构件,如W钢带、钢梁钢带等。

2)残采工作面回采期间与回采后:9#煤层巷道矿压与围岩稳定性监测。工作面回采期间,需要对9#煤层采区大巷进行矿压与围岩稳定性监测,判断动压影响过程中围岩的稳定性。根据回采过程中的巷道矿压显现状况,确定是否需要采取进一步加强维护措施。

3)工作面回采完成后:9#煤层巷道围岩稳定性评价与围岩加固。对经历上覆4#煤层剧烈采动影响且发生明显变形破坏的巷道段,多数巷道围岩内部形成大量的破碎带和裂隙带,需对经回采动压影响后出现严重变形的巷道段采取注浆加固+强力锚杆锚索支护的围岩控制方案。

5 结论

1)上覆残采工作面回采形成的支承压力在工作面两侧和煤壁侧以70°左右向底板传播,在底板形成高应力集中区,当下覆岩层位于该区域时巷道围岩应力集中,长期处于不稳定的状态。

2)根据底板采动破坏深度微震实时获取与动态预测研究结果,总结出适用于井工一矿的底板强度破坏深度预测公式,并得出上覆4#煤层回采对底板强度的破坏深度为42.73 m,高于4#煤层同9#煤层的夹层厚度。

3)为了避免9#煤层采区永久巷道受残采工作面回采动压的影响,提出了残采工作面回采前以提高巷道围岩的整体抗扰动能力为主、回采过程中确定是否需要进一步强化支护措施及回采完毕后大变形地段注浆加固+强力锚杆锚索支护等3个阶段的加固方案,确保巷道的稳定。