1201-2 回风顺槽采空区下合理错距及围岩控制技术研究

王 帅

（山西汾西瑞泰正中煤业有限公司，山西 灵石 031308）

1 概况

汾西瑞泰正中煤业1201-2工作面井下位于一采区西北部，工作面北邻椒仲旧井，南邻一采区轨道上山，西邻井田边界，东部为实体煤层。工作面上部为2上号煤层1201-1采空区（2017 已采）和1203-1采空区（2019 已采）。1201-2工作面开采2下号煤层，属二叠系下统山西组中部，煤层结构复杂，含3 层夹矸，夹矸厚度0.35 m，煤层厚度2.2～3.1 m，平均厚度为2.8 m。工作面区域2下号煤层与2上号煤层间的平均间距为6.0 m，两煤层间的岩层主要为砂质泥岩和细粒砂岩，2上号煤层上覆岩层主要为砂质泥岩和细粒砂岩。1201-2回风顺槽主要为1201-2工作面提供行人、回风和运料服务，巷道长度为750 m，设计巷道沿煤层底板掘进，巷道断面为矩形，掘进宽度×高度=4400 mm×3100 mm。

2 巷道与采空区合理错距分析

2上号煤层与2下号煤层属于近距离煤层，其中2上号煤层开采后，其上覆岩层会在采动影响下产生破坏和弯曲下沉，使得2下号煤层覆岩形成多介质属性特征。另外2上号煤层开采会破坏煤层底板的完整性，这种破坏会对2下号煤层围岩的变形产生较大的影响。为有效分析近距离采空区下巷道合理的布置位置，为维护巷道围岩稳定提供基础，采用FLAC3D数值模拟软件对1201-2回风顺槽与上覆1203-1回采顺槽间的合理间距进行分析。

根据1201-2工作面的赋存情况，建立长×宽×高=110 m×10 m×45 m 的数值模型，模型底部边界作固定处理，两侧边界限制其水平位置，模型顶部施加等效自重荷载，并在上下煤层工作面开采区域采用网格加密处理。结合众多近距离煤层采空区下巷道合理布置位置相关研究[1-3]，本次模拟主要对1201-2回风顺槽与上覆1203-1回采顺槽间错距为10 m、20 m、30 m 和40 m 时围岩变形特征进行对比分析，具体模型方案示意如图1。

数值模型建立完毕后，为有效掌握2上号煤层开采后周边煤体和底板煤岩体内的应力分布特征，分别在2下号煤层底板（测线1）、2下号煤层（测线2）和2下号煤层顶板（测线3）布置应力监测线。现根据数值模拟结果，分别对1201-2回风顺槽与上覆采空区不同错距下的围岩应力和塑性区分布状态进行分析。

（1）围岩应力。根据数值模拟结果，通过收集测线数据能够绘制出3条测线的应力曲线如图2。

图2 不同错距下巷道围岩应力分布图

分析图2 可知，2下号煤层回采时，当回风顺槽与上覆1203-1回采顺槽间的间距为10 m 时，回风顺槽位于应力降低区，巷道掘进后，整体应力水平较低，最大应力小于2.0 MPa；当回风顺槽与上覆1203-1回采顺槽间内错20 m 时，巷道处于应力降低区与原岩应力恢复区的交界处，巷道掘进后两帮侧应力水平相差较大，巷道左帮应力最大值为8.92 MPa，右帮应力最大值小于2.0 MPa；当回风顺槽与采空区间内错30 m、40 m 时，下煤层回采巷道处于采空区矸石支承影响区，巷道掘进后两帮煤体的应力呈现出明显增高的现象，另外巷道两帮侧的底板岩体应力明显增长，但巷道顶板岩体的应力呈现出一定的降低趋势。

（2）围岩塑性区。根据数值模拟结果能够得出回风顺槽与采空区不同错距下围岩塑性区发育特征如图3。

分析图3 可知，当回风顺槽与上煤层回采巷道内错10 m 时，在上煤层顶板开采结构的保护下，下煤层回采巷道处于应力降低区，巷道掘进后，围岩塑性区发育较为均衡，塑性区的破坏深度在2～3 m的范围内；当回风顺槽与上煤层回采巷道内错20 m布置时，巷道处于应力降低区向原岩应力恢复区的过渡区域内，下煤层回采巷道左帮塑性区域掘巷前塑性区发育连成一个整体，围岩塑性区发育深度≤2.5 m；当内错30 m、40 m 时，下煤层回采巷道处于下煤层开采的底板塑性区内，围岩塑性区的破坏范围增大，造成周边煤岩体的塑性破坏程度不断增大。

图3 不同错距下巷道围岩塑性区分布图

综合上述分析可知，1201-2回风顺槽内错上覆1203-1回采顺槽的合理错距为10～20 m，结合回风顺槽的具体赋存情况，充分考虑工作面开采的安全性，最终确定回风顺槽与上覆采空区间的错距为20 m。

3 支护方案及效果

3.1 支护方案

根据1201-2工作面回风顺槽与上覆2上号煤层采空区间的具体关系，结合回风顺槽的赋存特征可知，2下号煤层与2上号煤层间的平均间距为6 m，且2上号煤层顶板的砂质泥岩和细砂岩层裂隙发育，2下号煤层开采期间对底板具有一定的破坏深度。为确保锚网索主动支护的效果，需提升2下号煤层顶板的主动承载能力。由于2下号煤层开采的破坏，2上号煤层顶板破坏程度较大。综合目前现有近距离煤层开采的研究结论和工程实践经验[4-7]，确定1201-2工作面回风顺槽采用注浆短锚索+锚杆的支护方案，具体支护参数如下：

（1）顶板支护。锚杆采用Φ22 mm×1800 mm的高强螺纹钢锚杆，间排距为800 mm×800 mm，锚固采用加长锚固，锚杆预紧扭矩为300 N·m，两顶角锚杆与顶板成20°布置，其余锚杆垂直顶板布置；锚索采用Φ21.6 mm×3500 mm 的短注浆锚索，间排距为1200 mm×1500 mm，锚索每排布置4 根，预紧力为210 kN，注浆材料采用水泥浆，水泥采用425#普通硅酸盐水泥，水泥浆水灰比为0.5，注浆终孔压力为4 MPa；顶部锚杆索间采用W 型钢带进行连接，钢带规格为长×宽×高=5000 mm×280 mm×5 mm，采用网格为100 mm×100 mm、尺寸为1600 mm×900 mm 的金属网进行护表。

（2）两帮支护。帮部锚杆的参数同顶板，间排距为750 mm×800 mm，两帮角锚杆与帮部成20°布置，其余锚杆均垂直巷帮布置，帮部采用塑钢网进行护表，网幅规格为4000 mm×1000 mm，网片压茬连接，搭接长度为100 mm，相邻网片间采用16#铁丝连接。

具体1201-2工作面回风顺槽支护方式如图4。

图4 回风顺槽支护断面图（mm）

3.2 效果分析

1201-2工作面回风顺槽掘进期间，每间隔50 m布置一个巷道围岩变形观测点，测点紧跟迎头设置，采用十字布点法进行观测分析。根据观测数据能够绘制得出围岩变形曲线，现选取测站1～3 的观测数据进行具体分析，围岩变形曲线如图5。

分析图5可知，1201-2工作面回风顺槽掘进期间，围岩变形主要出现在巷道掘出后的0～20 d 内，顶底板及两帮变形在该阶段处于快速增长阶段，围岩变形速率快；当巷道掘出20 d 后，围岩变形速率大幅降低，围岩逐渐趋于稳定；当巷道掘出25 d 后，围岩基本达到稳定状态。最终顶底板移近量和两帮移近量的最大值分别为92 mm 和105 mm。

4 结论

根据1201-2工作面回风顺槽的赋存特征，通过数值模拟分析回风顺槽与上覆1203-1回采顺槽间的合理间距，确定回风顺槽内错上覆采空区20 m。基于巷道地质条件及模拟结果，设计巷道采用注浆短锚索+锚杆的支护方案，并对支护参数进行设计。根据支护方案实施后的效果分析可知，巷道在20 m错距和现有支护下围岩处于稳定状态。