多重应力下小煤柱巷道矿压分析及治理研究

何少帅

(中煤大同能源有限责任公司 塔山煤矿,山西 大同 037000)

我国煤矿开采方式主要为井工开采,井下需开掘大量巷道做为运输通道和安全出口。随着开采强度和深度的不断增加,传统的矿山压力理论视直接顶为刚体[1],当直接顶强度较低,尤其是开采放顶煤时,矿压理论分析结果与实际显现规律有较大误差[2-4]。近年来,随着对放顶煤开采巷道支护技术和综放工作面矿压规律研究的深入[5-8],人们逐渐认识到放顶煤工作面围岩应力显现的一般规律。目前,国内小煤柱巷道支护技术、沿空留巷技术也已经取得丰富的实践经验[9]。同时,随着综放工作面机械装备水平的提高,对巷道的断面尺寸提出了更高的要求。井下巷道大断面支护技术,尤其是超过10 m跨度的大断面支护技术得到成功应用[10]。本文以中煤塔山煤矿3-5#煤层30515综放工作面为工程研究背景,运用数值模拟和现场综合监测的方法,探究适用于小煤柱巷道的综合矿压管控措施,以期为3-5#煤层小煤柱巷道围岩控制提供参考。

1 工作面概况

30515工作面对应地面为山坡和沟谷地段,煤层埋藏深度为405.28～459.38 m,平均埋藏深度为435.22 m。3-5#煤层与2#煤层的间距为4.41～4.85 m,平均4.64 m。30515胶带顺槽上覆为2#煤层10215工作面采空区,同层位邻实煤区。30515回风顺槽上覆为2#煤层10201工作面采空区,同层位邻近30501工作面采空区,区段煤柱宽10 m,距离上部10201工作面和10215工作面区段煤柱水平距离28.75 m。30515回风顺槽受临近采空区残余支承压力和上部工作面煤柱集中支承压力的双重影响。3-5#煤层厚14.58～18.87 m,平均厚度为15.96 m。30515工作面倾角为1°～5°,平均为3°；煤层普氏系数为3.0～4.0,煤层较硬；直接顶为褐色铝土质泥岩,厚度4.41～4.85 m,平均4.64 m,致密,硬度小,易碎；直接顶上为2#煤层,已采空,采高平均3.0 m。2#煤层以上为0.95～2.50 m的灰褐色高岭质泥岩,上部有0.33～0.65 m的薄煤,再上为粉砂岩,厚度18～28 m,对矿压起到关键作用；底板为褐色粉砂岩,厚度为1.00～3.45 m,平均2.23 m,致密。具体的空间位置分布,如图1所示。

2 巷道稳定性数值模拟分析

采用UDEC模拟计算了30515工作面巷道上部2#煤层10201和10215工作面及同煤层30501工作面回采后围岩应力变化及分布特征,根据相应的工作面地质条件建立UDEC计算模型,模型尺寸为520 000 mm×100 000 mm。

图1 30515工作面空间关系示意图

2.1 数值模拟方案

1)10201工作面同10215工作面间净煤柱宽度为30 m。10201工作面于2008年8月开采,2009年10月回采完毕；10215工作面于2012年7月开采,2013年4月回采完毕。两工作面已经经历较长时间的稳定期,主要分析2#煤层两工作面回采结束后，区段煤柱的应力情况。

2)在30515工作面回采前,2#煤层已经处于相对稳定状态,但是由于受到30501工作面的回采影响,开采高度大,破坏了原有平衡,使得上部采空区围岩再次活动,为此分析30501工作面回采后，本煤层侧向支承压力的分布状况。

3)30515工作面掘进过程中,围岩再次扰动,围岩的应力场发生变化,分析30515两条顺槽掘进时,本煤层支承压力的变化状况。

2.2 数值模拟结果分析

2.2.110201和10215工作面开采后围岩应力分布

由于2#煤层和3-5#煤层间距仅为4.64 m,层间距较小,上部2#煤层回采后,围岩应力状态发生变化,对下部3-5#煤层的巷道布置和工作面回采造成了较大的影响。虽然2#煤层回采结束距今已有很长的时间,围岩已经处于相对稳定状态,但煤柱上的集中应力仍会对下部煤层的开采产生影响。为此，分析了10201和10215两个工作面回采后煤柱的集中应力对下部3-5#煤层应力分布的影响。图2为上部10201和10215工作面回采后3-5#煤层支承压力分布状况。由图可以看出,当上部2#煤层10201和10215工作面回采后,2#煤层煤柱集中应力向下部传递,3-5#煤层中出现了应力增高区,并向煤层两侧扩散;3-5#煤层体内支承压力峰值为33.49 MPa,应力集中系数为3.1,峰值位于上部煤柱正下方；当3-5#煤层距离上部区段煤柱的中央水平距离为24.5 m左右时,应力衰减为原岩应力,数值为10.875 MPa。

图2 10201和10215工作面回采后3-5#煤层应力分布

2.2.230501工作面开采后围岩应力分布

30501工作面回采后,3-5#煤层应力分布情况如图3所示。由图可知,3-5#煤层30501工作面回采后,改变了原有应力平衡,在距离采空区边缘约9.8 m处,煤体中的侧向支承压力达到最大值29.86 MPa,应力集中系数为2.7。同时,30501工作面回采后,在工作面侧向应力影响下,靠近煤壁侧约8.6 m范围内的煤体出现了一定程度的屈服破坏,将巷道布置在此范围时可能会导致煤体较为破碎。

图3 30501回采后3-5#煤层应力分布

2.2.330515回风顺槽和胶带顺槽掘进后围岩应力分布

30515胶带顺槽和回风顺槽掘进后,3-5#煤层应力分布情况如图4所示。30515回风顺槽和胶带顺槽掘进时,会对30501工作面回采后形成的应力场再一次产生扰动。由图4可以看出,30515回风顺槽掘进时,在距离巷道左帮2.3 m处的应力达到33.66 MPa,应力集中系数为3.1；而距离巷道右帮2.8 m处的应力达到29.40 MPa,应力集中系数为2.7。30515胶带顺槽掘进时,在距离巷道左帮1.2 m处的应力达到20.85 MPa,应力集中系数为1.9；而距离巷道右帮1.5 m处的应力达到19.33 MPa,应力集中系数为1.7。

图4 30515回风顺槽和胶带顺槽掘进后围岩应力分布

2.2.4数值模拟结论

1)从数值模拟结果可知,30515胶带顺槽处于上覆2#煤层采空区下方,距离上覆2#煤层区段煤柱101.25 m,且四邻为实煤,巷道位于低应力区域,但巷道开掘活动使巷道侧向受力增加。

2)同时可知,30515回风顺槽处于2#煤层采空区下方,但受上覆区段煤柱和同层区段煤柱应力的影响,巷道位于高应力区。随着巷道的开掘,围岩应力大幅增加,局部形成集中应力。

3 巷道现场矿压监测及分析

3.1 30515胶带顺槽现场矿压监测及分析

30515胶带顺槽现场掘进过程中,未发生过煤炮。巷道从掘进到回采结束,围岩变形量控制在10 mm,煤体完整,未发生可见破坏现象。从现场来看,没有高应力区矿压显现,没有出现数值模拟高应力区的情况。巷道四邻为实煤,不会受到采空区侧向压力的影响,巷道应力趋于原岩应力。

3.2 30515回风顺槽现场矿压监测及分析

30515回风顺槽现场掘进过程中,煤炮频繁,锚杆断裂频繁,矿压显现剧烈。30515工作面回采期间,巷道变形严重,本研究重点对30515回风顺槽小煤柱巷道从掘进和回采期间的矿压显现规律进行研究。

3.2.1巷道掘进期间煤炮监测及分析

30515回风顺槽掘进至190 m时开始发生小煤炮,掘进至300 m时开始发生中煤炮,并且小煤炮频繁。巷道掘进从190 m处开始至2 100 m处结束,煤炮一直伴随。经统计,中煤炮平均发生频次为1次/2 m进尺,发生频繁时1次/1 m进尺。煤炮发生有如下特点:

1)煤炮发生位置主要在距掘进工作面5 m范围内,大多数发生在掘进机机组割煤对围岩扰动期间；

2)巷道内距离掘进工作面5 m范围外也有煤炮发生,但是数量很少；

3)对围岩不扰动时,煤炮数量减少,工作面停掘3 d后,工作面很少发生煤炮。

根据图4数值模拟分析可知,煤炮发生的主要原因是由于30515回风顺槽掘进工作面处于高应力区。分析煤炮发生频次及能量情况,采取大直径钻孔对掘进工作面应力进行钻探,根据煤体破碎情况和钻探的难易程度初步判断掘进工作面应力分布情况。经钻探发现,距掘进工作面0～8 m范围内的煤体破碎,酥软;距掘进工作面8～25 m范围内易卡钻,煤炮频繁,煤体应力大;距掘进工作面超过25 m时,煤体完整性好,可以正常钻进。由此可见,30515回风顺槽掘进工作面在同层采空区和上覆煤柱复杂应力作用下,形成距离掘进工作面0～8 m范围的煤体破碎区,作为应力释放的“自由面”,8～25 m范围形成高应力区,25 m以外产生相对低应力区结构。且随着工作面向前掘进,破碎区、高应力区和相对低应力区不断演化。同时,机组割煤对围岩扰动,使得原30501端头不稳定的顶板再次破断垮落,形成煤炮。由此,探明了煤体破碎及煤炮发生的规律。

3.2.2工作面回采期间巷道应力监测及分析

在30515工作面回采过程中,为掌握工作面矿压及巷道围岩应力情况,采用KSE-II钢弦测力系统进行应力监测,监测系统安装在30515回风顺槽内,监测区域为工作面回采侧煤体测区。30515回风顺槽现场距离切眼200 m处开始安装钻孔应力计,共安装5个,间距5 m,距底板1.5 m,孔深分别为4 m(1#)、6 m(2#)、8 m(3#)、10 m(4#)和12 m(5#),初始应力值设置为2±1 MPa。通过回采侧煤体钻孔应力监测分析可知,整体上煤体相对应力随工作面回采呈先增大后降低的变化趋势。由应力变化情况可知,30515工作面回采过程中超前采动应力的影响范围为工作面前方54～68 m,应力峰值为26.0～38.2 MPa,尤其是工作面周期来压期间,超前工作面25 m范围内压力最大,煤体破碎。如图5所示。经工作面现场观察,围岩松动圈平均为2.5 m。

图5 30515工作面回风顺槽3#钻孔应力变化曲线

3.2.3工作面回采期间高清钻孔成像监测及分析

为探测30515回风顺槽帮部和顶部煤的破坏范围,采用超高清彩色钻孔电视进行了现场探测。30515工作面回风巷临近30501采空区,属于特厚煤层小煤柱沿空掘巷。因此,考虑到探测钻孔开口部约0.6 m深度的帮部煤体比较破碎,现场探测时,彩色钻孔电视的起始位置为距钻孔口部0.6 m处,即图6的起始点对应的钻孔深度为0.6 m。如钻孔窥视图图6所示,从左向右钻孔深度范围依次为0～1.1 m、1.1～2.2 m和2.2～3.3 m。围岩破碎段距离30515工作面切眼1 060 m处,煤柱帮。

图6 不同钻孔深度窥视图

30515工作面回风顺槽距切眼1 060 m处的煤体破坏深度为2.65 m,加上起始点距孔口0.6 m,则钻孔破坏深度为3.25 m,该处围岩破碎最为严重。根据30515回风顺槽现场矿压显现和工作面地质构造分析推断,在钻孔畅通可以推送超高清钻孔镜头的情况下,当工作面来压且30515工作面回风顺槽压力显现强烈时,煤柱帮部煤体破坏深度大于3.25 m,说明回风巷煤层变形破坏较大,巷道围岩较破碎,该成果为巷道帮部锚索加强支护提供了依据。

3.2.4工作面回采期间围岩观测成果分析

通过对30515工作面过F4断层(工作面最大断层,落差4.1 m)期间,30515回风顺槽超前50 m范围围岩进行观测,掌握了巷道顶帮最大变化情况,结果如表1和表2所示。

表1 两帮变化情况一览表

表2 巷高变化情况一览表

经现场观测,30515回风顺槽过F4断层(正断层,走向104°,倾角70°,落差4.1 m)期间,矿压强烈,顶帮变形量大,距离工作面2 m位置处,两帮最大变形量为1.35 m(煤柱帮变形0.65 m,回采帮变形0.7 m);距离工作面30 m位置处,巷道高度最大变化为0.99 m(顶板下沉0.28 m,底鼓0.71 m)。

3.2.5现场矿压监测与分析

1)30515胶带顺槽掘进和回采期间无矿压显现,无数值模拟高应力区矿压显现。

2)30515回风顺槽掘进和回采期间矿压显现强烈,验证了模拟高应力区矿压显现情况。同时,掌握了掘进期间煤炮发生规律,得到了工作面回采期间围岩平均松动圈为2.50 m,最大破碎深度为3.25 m,以及围岩最大移近量。

4 小煤柱巷道矿压治理策略及效果

4.1 掘进期间煤炮预警

对30515回风顺槽掘进期间可能发生的煤炮大小及现象进行预警,将煤炮等级分为小、中、大3个能量级。小煤炮:响声小,没有震动感,工作面支护不受影响,没有明显的顶帮掉渣现象;中煤炮:响声较大,有轻微震动感,工作面支护基本不受影响,工器具不发生位移,顶板掉渣明显但不影响人员视线,煤体有破碎迹象;大煤炮:响声大,有较强震动感,煤体破碎,并伴有下列情况之一:顶板掉渣时,在工作面附近20 m范围内,人员之间3 m之内看不清的,未支护的顶板掉顶超过0.5 m小于1 m的,顶帮锚杆、锚索支护有损坏的,工器具发生明显位移的,机组出现明显震动的。现场施工1个循环出现2次中煤炮时,必须停止掘进,施工卸压孔;现场出现1次大煤炮时,必须停止掘进,采取综合解围措施。

4.2 大直径钻孔卸压解危

30515回风顺槽掘进期间施工卸压孔,钻机扭矩3 200 N·m,钻孔直径133 mm,水压1.2 MPa。卸压孔布置在30515回风顺槽工作面,位于工作面中部,呈五花眼布置,孔间距0.8 m,设计孔深20～40 m。施工卸压孔期间,经常出现钻孔卡钻、小煤炮和中煤炮,钻孔施工成功率60%。施工卸压孔后,掘进施工期间依然发生煤炮,但中煤炮数量减少。

4.3 优化巷道锚网索支护方案

30515回风顺槽锚杆预紧力矩提高到400 N·m,锚索预紧力提高到200 kN,大断面巷道区域采用10.3 m锚索加强支护,帮部根据钻孔窥视,围岩破坏深度最大3.25 m,采取4.3 m锚索加强支护,顶板和两帮支护充分发挥了锚索的支护性能。

4.4 综合优化超前支护方案

小煤柱巷道重点是端头支架和超前支护的管理。30515回风顺槽端头从支架采高、初撑力、前后溜上窜下滑控制、端头底板平直度、超前移架多方面保障支架行走平直,支撑有力。端头三角区加强单体支护,为回风端头创造良好条件。30515回风顺槽超前支护距离达到150 m,采用无反复支撑支架,较单体支护提高支护强度,降低回收单体作业风险。

4.5 特殊区域重点超前管理

小煤柱巷道与邻近采空区巷道硐室间煤柱宽度变小,最小煤柱2.5 m,煤柱承载压力能力减弱。小煤柱巷道在掘进过同层硐室期间,对硐室前后5 m范围内顶帮加密锚索支护,对硐室侧煤帮采用喷射混凝土堆砌工艺,形成厚1 m的混凝土墙体。

4.6 “堆柱”应用取得成效

“堆柱”即采用特制铁鞋,将三根DW45-350/110型单体成组支护在1个直径约1 m,面积约0.8 m2圆形铁鞋上,铁鞋上加工好柱窝,以提高单位面积单体支护强度。由1根单体支护顶板时,工作面来压经常出现单体弯曲情况,采用上述支护方法后,对矿压显示强烈区域进行支护,单体弯曲数量降低80%,起到了比较好的支护效果。

5 结论

中煤塔山煤矿3-5#煤层30515工作面10 m宽度小煤柱巷道应力较大,因煤层厚,矿井资源有限。在尽可能提高采区回采率的情况下,掌握工作面掘进和回采矿压规律后,经过采取综合矿压治理策略,巷道变形量在可控范围,巷道支护稳定可靠,工作面端头顶板维护可靠,实现了工作面安全掘进和回采。