閆志強

(山西汾西礦業(yè)(集團)有限責(zé)任公司 賀西煤礦，山西 呂梁 033300)

隨著煤炭資源開采強度的增加，開采條件優(yōu)越的煤炭儲量接近枯竭，造成開采條件差的煤層逐漸成為主流開采煤層，其中層間距小的近距離煤層由于其賦存條件惡劣，屬難采煤層[1-4]。同時，礦井巷道掘進率高、采掘接替緊張以及多煤層開采煤柱應(yīng)力集中等問題限制了礦井高效安全生產(chǎn)[5-9]。可見，賦存條件優(yōu)越的煤炭資源越來越少，導(dǎo)致煤礦企業(yè)不得不重視開采和支護困難的近距離煤層群，同時為了減少資源損失，避免煤柱應(yīng)力集中問題，沿空留巷技術(shù)廣泛應(yīng)用于煤層開采中。

多年來，國內(nèi)眾多學(xué)者和現(xiàn)場工程技術(shù)人員對近距離采空區(qū)下巷道布置開展了大量研究。高士崗等計算了采空區(qū)下開切眼圍巖及支護結(jié)構(gòu)受力與變形情況，提出了“金屬棚+錨桿+單體支柱”的組合支護技術(shù)[10]；侯樹宏針對厚煤層采空區(qū)內(nèi)近距離上行開采巷道斷面布置問題，提出回采巷道的合理斷面形狀為微拱形斷面[11]；趙洪寶等探究了巷道在受到上煤層工作面回采與煤柱應(yīng)力集中情況下產(chǎn)生非對稱性破壞的機理與演化規(guī)律[12]；曲華等提出上行卸壓開采可從根本上消除復(fù)合頂板管理、沖擊地壓以及巷道支護等多重高應(yīng)力難采煤層難題[13]；索永錄等分析了近距離煤層群三種巷道布置形式時的頂板垂直應(yīng)力、塑性破壞以及下沉位移特征，得出采用內(nèi)錯布置方式時巷道塑性破壞范圍及頂板變形量均相對較小[14]；孔德中等探究了上位煤層開采后殘留煤柱在底板的應(yīng)力分布、底板破壞深度以及在非均布荷載下巷道破壞的主導(dǎo)因素[15]。

綜上所述，專家學(xué)者對近距離煤層開采下位巷道布置及支護技術(shù)進行了諸多研究，取得了可喜進展，但是對近距離采空區(qū)下沿空留巷的設(shè)計與維護研究較少。以上述研究為基礎(chǔ)，以香源煤業(yè)3#煤與2#煤近距離煤層開采為工程背景，研究近距離采空區(qū)下沿空留巷圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)，并進行現(xiàn)場工業(yè)化試驗。

1 工程概況

1304采煤工作面可采走向長785.5m，傾斜長174.3m，面積為136913m2，埋深約570m，其四周3#煤層均為未采區(qū)，上距2#煤層采空區(qū)6.87～8.58m。近距離煤層采掘順序為：上位2#煤層1204工作面回采→上位2#煤層1206工作面回采→下位3#煤層1304工作面材料巷掘進→下位3#煤層1304工作面回采。工作面布置情況如圖1所示。

圖1 工作面布置情況

1304工作面開采山西組3#煤層，煤層平均厚度為0.9m，煤層平均傾角為3°，煤巖層頂?shù)装迩闆r如圖2所示。對1304采煤工作面材料巷進行沿空留巷，巷道凈寬×凈高=4.4m×2.3m，沿3#煤層頂板掘進，設(shè)計長度為887.16m。

圖2 煤巖層賦存情況

2 采空區(qū)下底板應(yīng)力分布與變形破壞特征

2.1 底板應(yīng)力分布的數(shù)值模擬計算

為了探究近距離采空區(qū)下底板巖層應(yīng)力分布規(guī)律，采用FLAC3D軟件以香源煤業(yè)1304工作面地質(zhì)條件為工程背景，建立數(shù)值計算模型，如圖3所示。模型的上表面為垂直壓應(yīng)力邊界條件，其余邊界為速度固定邊界，煤巖層材料破壞符合摩爾-庫侖本構(gòu)模型。數(shù)值模型采(掘)順序為：1204工作面開挖→1206工作面開挖→1304工作面材料巷開挖→1304工作面開挖→充填柔?；炷翂w。

圖3 數(shù)值計算模型

上位煤層1204工作面開采后柔模墻柱底板應(yīng)力分布如圖4(a)所示，上位煤層1206工作面開采后墻柱底板應(yīng)力分布如圖4(b)所示。

圖4 上煤層開采后墻體底板應(yīng)力分布特征

由圖4(a)可知，上位煤層1204工作面開采后，留巷左幫巖體將形成應(yīng)力集中現(xiàn)象，靠近巷道側(cè)的1204采空區(qū)頂?shù)装逯車鷮⑿纬纱蠓秶膽?yīng)力低值區(qū)，柔?；炷翂w所受應(yīng)力值為26MPa，應(yīng)力值小于其強度極限值，可保證留巷結(jié)構(gòu)的完整性，為下一工作面的安全回采提供有利條件。當(dāng)上位煤層1206工作面開采后，1204采空區(qū)逐漸壓實，且出現(xiàn)一定程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，柔?；炷翂w發(fā)生變形破壞，靠近墻體側(cè)的1206采空區(qū)頂?shù)装逯車纬纱蠓秶膽?yīng)力低值區(qū)。可見，在布置下位煤層回采巷道時，可將其置于應(yīng)力低值區(qū)的1206采空區(qū)底板下側(cè)，避開上位煤層開采形成的集中應(yīng)力的影響，使得巷道易于維護。

上位煤層1204工作面開采后墻柱底板不同深度應(yīng)力分布曲線如圖5(a)所示，上位煤層1206工作面開采后墻柱底板不同深度應(yīng)力分布曲線如圖5(b)所示。

圖5 上煤層開采后墻體底板不同深度應(yīng)力分布曲線

由圖5(a)可知，1204工作面開采后，1204工作面采空區(qū)底板不同深度的應(yīng)力呈先減小后增加的趨勢，而未開采的1206工作面底板不同深度情況下的應(yīng)力呈先增加后減小的趨勢。1206工作面開采后，隨著1204采空區(qū)頂板的逐漸壓實，1204采空區(qū)底板應(yīng)力呈先增加后減小的趨勢，且該區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力維持著較高狀態(tài)；而1206采空區(qū)底板應(yīng)力呈先短暫減小后逐漸增加的趨勢。且由圖5(b)可知，位于1206采空區(qū)下且在遺留墻體左側(cè)約35m寬度范圍的A區(qū)域應(yīng)力處于低水平狀態(tài)，此區(qū)域內(nèi)的巖體較為破碎，其完整性遭到劇烈破壞，不適合在A區(qū)域內(nèi)布置下煤層回采巷道；而位于1206采空區(qū)下且在遺留墻體左側(cè)約47m寬度范圍的B區(qū)域應(yīng)力處于原巖應(yīng)力水平附近，此區(qū)域內(nèi)的巖體具有一定的承載能力與自穩(wěn)能力，適宜在B區(qū)域內(nèi)布置回采巷道。

2.2 采空區(qū)下巷道變形破壞特征

2.2.1 采空區(qū)下底板破壞深度估算

在近距離煤層群中，上位煤層的開采將導(dǎo)致底板巖層發(fā)生損傷破壞，最大屈服破壞深度h：

式中，β為圍巖裂隙影響系數(shù)，取0.62；R為煤體單軸抗壓強度，取5.8×107Pa；L為工作面長度，取160m；H為煤層埋深，取570m；γ為上覆巖層容重，取2.6kN/m3。估算可得上位2#煤層工作面開采后，底板的損傷破壞深度為10.6m，大于2#煤層與3#煤層間距?？梢姡厦簩拥拈_采將弱化下位煤層巷道圍巖完整性，給巷道支護帶來較大困難。

此外，由計算結(jié)果可知，下煤層開采后，上下采空區(qū)裂隙將貫通，鑒于該礦屬于瓦斯含量較高礦井，在現(xiàn)場生產(chǎn)實際中，防控下工作面采空區(qū)及留巷瓦斯超限事故的解決方法：

1)在上覆工作面采空區(qū)封閉時，在閉墻預(yù)埋抽采管路進行上覆采空區(qū)抽采；

2)在該工作面回采作業(yè)時施工高位裂隙帶鉆孔，鉆孔高度為煤層頂板4m左右位置，當(dāng)采空區(qū)垮落時與鉆孔貫通，形成對采空區(qū)抽采；

3)每隔10m使用一組特殊柔模袋，安裝一組抽采管路，實現(xiàn)對采空區(qū)瓦斯抽采，同時在柔模接縫處噴密封材料，防止瓦斯外溢。

2.2.2 下位沿空留巷變形破壞特征

由上述分析可知，將3#煤層1304工作面材料巷道布置在2#煤層1206工作面采空區(qū)下方原巖應(yīng)力水平范圍的底板巖層中，巷道掘進易于維護。但是，由于下位煤層巷道圍巖結(jié)構(gòu)已經(jīng)遭到多次采掘破壞，在1304工作面回采留巷期間時巷道礦壓顯現(xiàn)強烈，圍巖變形嚴(yán)重。采空區(qū)下留巷無支護時應(yīng)力分布如圖6所示。

圖6 采空區(qū)下留巷無支護時變形破壞特征

由圖6可知，由于下煤層開采前頂板完整性就受到破壞，導(dǎo)致布置在下煤層的回采巷道礦山壓力顯現(xiàn)劇烈，尤其表現(xiàn)為下位3#煤層巷道頂板下沉變形較為明顯，因此可考慮對巷道頂板進行注漿加固。此外在巨大變形壓力作用下，柔?；炷翂w發(fā)生明顯的側(cè)向擠出變形，因此需采取合理措施控制柔?；炷翂w側(cè)向擠出變形，為下一工作面回采創(chuàng)造有利條件。

3 近距離采空區(qū)下沿空留巷圍巖控制

3.1 沿空巷道控制對策

近距離采空區(qū)下沿空留巷經(jīng)受多次采動影響，為本工作面及下工作面服務(wù)。下煤層沿空留巷復(fù)用時，由于其頂板破碎區(qū)較大，完整性受到大范圍破壞，造成沿空留巷維護困難。針對近距離采空區(qū)下沿空留巷變形破壞特征，其圍巖穩(wěn)定性控制要考慮以下幾個原則：

1)頂板注漿長錨索加固。由于2#煤層與3#煤層間隔過近，下煤層開采前頂板完整性就受到破壞，因此須及時采用注漿長錨索對巷道頂板進行注漿加固，使頂板圍巖完整性和致密程度增加，為后續(xù)支護組件的功能性發(fā)揮提供有利條件[16，17]。需要說明的是：下煤層施工掘進是在上煤層工作面回采完畢3～5a后進行掘進作業(yè)，掘進過程施工錨索是中空注漿錨索，前期支護時使用一根錨固筋進行錨固，在距離掘進工作面30m后對錨索進行注漿，將上煤層回采后形成的裂隙進行填充，填充料為425硅酸鹽水泥或凱密胺，保證裂隙頂板和再生頂板的壓實膠結(jié)效果。因此，巷道頂板進行注漿長錨索支護時，可保證錨索錨固牢靠。

2)補強加固復(fù)合錨固承載結(jié)構(gòu)(如圖7所示)。沿空留巷圍巖深部錨索支護形成的次錨固承載結(jié)構(gòu)與淺部錨桿支護形成的主錨固承載結(jié)構(gòu)，此二者與圍巖耦合形成復(fù)合錨固承載結(jié)構(gòu)，而在巷道內(nèi)布置單體支柱不僅可對復(fù)合承載結(jié)構(gòu)進行補強加固，抑制圍巖彎曲變形，控制圍巖裂隙擴展[18]，確保錨桿索預(yù)應(yīng)力的有效傳遞，還可有效抑制底鼓現(xiàn)象發(fā)生。

圖7 補強加固復(fù)合錨固承載結(jié)構(gòu)原理

3)留巷圍巖“一梁四柱”式支護承載系統(tǒng)(如圖8所示)。沿空留巷頂板圍巖主要由柔模墻體、實體煤、單體柱以及采空區(qū)矸石等組合支護系統(tǒng)共同承載。研究表明：①留巷頂板絕大部分載荷是由實體煤對其進行承載；②柔模墻體具有增阻速度快、允許頂板一定可縮量以及具有較高的后期強度等特性[19，20]，可提升充填區(qū)域側(cè)向頂板的完整性和承載性，且能分壓承載部分頂板載荷，在一定時間內(nèi)充當(dāng)復(fù)合承載結(jié)構(gòu)支撐點，使其在一定程度上延緩巷旁柔模充填體承載時間，有效增強巷旁柔模承載時的強度與剛度；③采空區(qū)冒落矸石是一種松散介質(zhì)，具有宏觀連續(xù)和不可逆壓縮變形等特點，工作面推進一定距離后矸石被壓實后體積將永久性縮小，產(chǎn)生應(yīng)變硬化現(xiàn)象，壓實后的矸石逐漸承載頂板載荷[21，22]；④強力單體支柱額定工作阻力為250kN，初撐力可達到150kN，柔?；炷脸休d初期單體柱起增阻讓壓的作用，保證留巷頂板巖層不發(fā)生垮冒事故，單體柱的可縮性可適應(yīng)頂板巖層的整體下沉[23]。

圖8 留巷圍巖“一梁四柱”式支護承載系統(tǒng)

4)留巷巷內(nèi)“四位一體”承載傳力控制系統(tǒng)(如圖9所示)。該“四位一體”加強支護系統(tǒng)通過“支撐控頂-承載助幫-可縮讓壓-傳力控底”的作用達到控制頂?shù)装鍑鷰r變形的目的，其具體表現(xiàn)為：①π型梁的應(yīng)用使頂板均勻受力，保障了頂板圍巖的完整性，加強了頂板錨固復(fù)合承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。高阻力可縮性單體支柱能夠提供較高的支護阻力，分擔(dān)承載頂板壓力，實現(xiàn)分壓減跨的目的，同時單體支柱又能適應(yīng)巖層變形運動，達到讓壓頂板荷載的目的；②強力單體柱在承擔(dān)頂板載荷的基礎(chǔ)上，還可作為一個傳遞體將頂板壓力傳遞至底板，并對底板施加反向約束力，提高底板的支護強度，實現(xiàn)控制底鼓的作用；③巷內(nèi)加強支護、實體煤幫錨網(wǎng)支護以及巷旁柔?；炷脸休d結(jié)構(gòu)的應(yīng)用保障了巷道幫具有足夠的強度，實現(xiàn)了圍巖與支護體共同承載，有助于頂?shù)装鍘r層的穩(wěn)定性控制，避免了頂板沿巷旁充填體切頂和沿實體煤幫切落等事故的發(fā)生。正是單體柱配的“支撐控頂-承載助幫-可縮讓壓-傳力控底”作用形成的四位一體承載傳力控制裝置，保障了沿空留巷圍巖穩(wěn)定性。

圖9 留巷巷內(nèi)“四位一體”承載傳力控制系統(tǒng)

5)柔?；炷翂w拉桿加固并輔以單體柱支護。1304采煤工作面沿空留巷巷旁充填體為柔?；炷?，其寬度為1.7m。由于沿空留巷條件下受強采動影響非常明顯，留巷圍巖變形量大，圍巖破壞嚴(yán)重，巷旁充填體一貫為留巷圍巖加固的重點與難點。由于巷旁充填體為1.7m寬的柔?；炷粒瑢儆谡锱猿涮铙w，因此必須采用柔?；炷翂w拉桿加固并輔以單體柱支護。柔模袋中泵注的密實混凝土與其內(nèi)部穿孔拉桿可形成柔?；炷翉娏Τ休d結(jié)構(gòu)(如圖10所示)。對穿拉桿配合鐵板作用于柔?；炷林校軌蛴行拗迫崮４鼉?nèi)的混凝土向外擠出變形，同時限制充填墻體的變形與破壞，將袋內(nèi)的充填體由原有的二向受力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿蚴芰顟B(tài)，混凝土充填體內(nèi)的受力狀態(tài)得到明顯改善，可明顯提升巷旁柔?；炷脸涮铙w的承載特性。單體液壓支柱作為巷旁柔?；炷恋呐R時加強支護，不僅可在混凝土成型凝固前提供較大的支護阻力，承擔(dān)頂板載荷，還可實現(xiàn)控制底鼓的作用。

圖10 柔?；炷翉娏Τ休d結(jié)構(gòu)

3.2 沿空留巷支護技術(shù)

基于上述控制原則與控制對策，提出了近距離采空區(qū)下沿空留巷“頂板注漿長錨索加固+實體煤幫與頂板高強高預(yù)緊力錨桿+巷內(nèi)強力單體液壓支柱+柔模混凝土墻體拉桿加固輔以單體支柱護墻”的非對稱耦合控制技術(shù)如圖11所示。支護參數(shù)如下：

圖11 綜合控制技術(shù)(mm)

頂板采用?20mm×2000mm的高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為860mm×800mm，角錨桿距幫150mm。配合規(guī)格為4400mm×300mm×4.5 mm的W型鋼帶貼頂支護，錨固力不小于150kN，預(yù)緊力矩不小于300N·m。此外頂板采用規(guī)格為?21.8mm×5500mm的中空注漿錨索，每排布置3根，間排距為1100mm×1600mm，錨索預(yù)緊力不小于200kN，配合使用16mm×300mm×300mm高強錳鋼鼓形托板。沿空留巷頂板支護采用DW28-300/100X或DW31.5-200/100X型懸浮式液壓支柱配合3.6m長的π型梁構(gòu)成“一梁三柱”棚式支護。巷幫采用?20mm×2000mm的高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，每排布置3根，間排距為900mm×800mm，最上面一根距頂板300mm。配套使用的規(guī)格為長×寬×厚=400mm×300mm×4.5mm的W鋼帶，錨固力不小于50kN，預(yù)緊力矩不小于150N·m。

工作機尾頂板鋪設(shè)0.8m×10m的經(jīng)緯網(wǎng)，采用?20mm×2000mm的高強度左旋螺紋鋼錨桿配合2.5m長的鋼筋托梁和鐵餅壓網(wǎng)支護，排距600mm，巷道側(cè)第一根錨桿距離巷道角錨桿300mm，設(shè)計錨固力不小于150kN。在采空區(qū)側(cè)和充填墻體間使用DW28-300/100X型懸浮式液壓支柱配合2.6m長的π型梁成“一梁三柱”布置，梁間距為300mm。

在距材料巷煤幫4400mm支設(shè)規(guī)格為長×寬×高=1800mm×1900mm×2500mm的柔模。使用DW28-300/100X型懸浮式液壓支柱壓住柔膜三邊的預(yù)留壓邊，將柔膜壓在頂板上。在柔模中部穿四根?20mm、L2000mm的拉桿，其間排距為600mm×700mm，拉桿的兩側(cè)使用螺帽配合鐵板固定并緊固。

4 工程實踐

為分析上述支護技術(shù)方案對近距離采空區(qū)下沿空留巷圍巖的控制效果，在留巷中布置測線對工作面推過一定距離后的留巷圍巖變形情況進行礦壓觀測，結(jié)果如圖12所示。

圖12 現(xiàn)場礦壓觀測結(jié)果

由圖12可知，工作面推過0～42m時，是留巷圍巖變形的加速階段，此階段內(nèi)留巷頂?shù)装寮皟蓭鸵平垦杆僭黾?。?dāng)采取底板起底措施且工作面推過42m后，留巷圍巖變形速率逐漸減緩，但變形量仍呈增長趨勢，此階段為留巷圍巖的減速變形階段。當(dāng)工作面推過101m后，留巷圍巖變形量趨于穩(wěn)定，為留巷圍巖變形的穩(wěn)定階段，此時兩幫變形量為197mm，頂板移近量為247mm，底板鼓起量為132mm?？梢?，上述近距離采空區(qū)下留巷圍巖控制技術(shù)有效限制了頂板破碎下沉及窄柔模墻體側(cè)向擠出變形，留巷試驗取得成功。

5 結(jié) 論

1)在布置下位煤層回采巷道時，可將其置于應(yīng)力低值區(qū)的1206采空區(qū)底板下側(cè)，避開上位煤層開采形成的集中應(yīng)力影響。理論計算得到上煤層工作面開采后底板的損傷破壞深度為10.6m，大于2#煤層與3#煤層間距，上層煤層的開采將弱化下位煤層巷道圍巖完整性。

2)確定了近距離采空區(qū)下留巷圍巖控制對策，即頂板注漿長錨索加固、補強加固復(fù)合錨固承載結(jié)構(gòu)、留巷圍巖“一梁四柱”式支護承載系統(tǒng)、留巷巷內(nèi)“四位一體”承載傳力控制系統(tǒng)及柔?；炷翂w拉桿加固并輔以單體柱支護。

3)基于留巷圍巖控制對策，提出了近距離采空區(qū)下沿空留巷“頂板注漿長錨索加固+實體煤幫與頂板高強高預(yù)緊力錨桿+巷內(nèi)強力單體液壓支柱+柔?；炷翂w拉桿加固輔以單體支柱護墻”的非對稱耦合控制技術(shù)。

4)工程實踐表明，采用該綜合控制技術(shù)后，當(dāng)工作面推過101m后，留巷圍巖變形量趨于穩(wěn)定，此時兩幫變形量為197mm，頂板移近量為247mm，底板鼓起量為132mm，非對稱耦合控制技術(shù)實現(xiàn)了對留巷試驗段圍巖的有效控制。