閆鵬飛,李 猛,陳 雷

(中煤能源集團(tuán) 中煤大同能源有限責(zé)任公司 塔山煤礦,山西 大同 037001)

隨著我國(guó)煤炭開采強(qiáng)度的增大,淺部及條件簡(jiǎn)單的資源逐步減少,煤礦開采逐漸轉(zhuǎn)向深部和復(fù)雜條件的煤層[1],由此產(chǎn)生的技術(shù)難題也愈來(lái)愈多,近距離煤層群開采便是其中之一。近距離煤層群開采過(guò)程中,先開采煤層形成的采動(dòng)應(yīng)力必然會(huì)對(duì)后開采煤層造成損傷,表現(xiàn)出圍巖強(qiáng)度降低、穩(wěn)定性變差、巷道變形大、難于維護(hù)等特點(diǎn)[2-3]。此外,與單一煤層開采不同,上煤層開采時(shí)的垮落矸石和遺留煤柱造成應(yīng)力傳遞的不均勻性將使得下位煤層受力狀態(tài)更加復(fù)雜,新的礦壓異?，F(xiàn)象和支護(hù)難題不斷涌現(xiàn)[4-7]。這些問(wèn)題對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)造成了巨大的安全隱患?，F(xiàn)有研究成果提出了堅(jiān)硬厚頂板預(yù)裂爆破及其他卸壓措施實(shí)現(xiàn)了煤礦的安全開采[8-10]。本文以塔山煤礦30501膠帶順槽為研究對(duì)象,針對(duì)膠帶順槽掘進(jìn)過(guò)程中的異常礦壓顯現(xiàn)問(wèn)題,開展礦壓顯現(xiàn)機(jī)理及防治技術(shù)研究,對(duì)塔山煤礦從根本上避免后續(xù)工作面出現(xiàn)類似問(wèn)題，以及提高異常礦壓防治能力有著重要的意義。

1 工程概況

1.1 工作面概況

塔山煤礦位于大同煤田中東邊緣,地處大同市南郊區(qū)泉鄉(xiāng)上窩寨村北。主要分布煤層包括2#、5(3-5)#、6#、7#、8#、9#煤層。其中2#煤層采煤方法為一次采全高走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化采煤法,3-5#煤層與2#煤層間距平均為4.35 m,屬于典型的近距離煤層群開采。首采煤層為2#煤層,平均厚度為3 m,已于2015年全部回采完畢(10201工作面于2009年回采完畢，10203工作面于2010年回采完畢)。3-5#煤層采用綜采放頂煤開采,頂板管理方式為全部垮落法。

30501工作面為3-5#煤層首采面,位于10201采空區(qū)下方,其與2#煤層空間關(guān)系如圖1所示。該工作面傾斜長(zhǎng)度為160 m,走向長(zhǎng)度為1 832 m,上與2#煤層間距為4.35 m。由于2#煤層為留煤柱開采,煤柱寬度為20 m或30 m不等,30501工作面膠帶順槽與上覆10201和10203采空區(qū)間遺留煤柱的水平距離為10 m,回風(fēng)順槽與上覆采空區(qū)遺留煤柱水平間隔為40 m左右。該工作面煤層及其頂?shù)装迩闆r如表1所示。其中30501膠帶順槽布置在距遺留煤柱水平距離10 m,受上覆煤層近距離遺留煤柱影響,30501膠帶順槽掘進(jìn)期間煤炮不斷,異常礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈。

(a)平面示意圖

表1 3-5#煤層頂?shù)装鍘r性及厚度

1.2 礦壓顯現(xiàn)特征

30501膠帶順槽沿煤層底板掘進(jìn),其斷面為矩形,掘進(jìn)寬度5 700 mm,高度3 700 mm。30501膠帶順槽在掘進(jìn)期間頂板來(lái)壓劇烈,煤炮頻繁發(fā)生,造成順槽支護(hù)困難,工作強(qiáng)度加大,施工進(jìn)度緩慢,工人安全受到威脅。礦壓異常顯現(xiàn)導(dǎo)致工作面順槽局部冒頂,巷幫煤體鼓出,錨索有拉斷出現(xiàn)。膠帶順槽掘進(jìn)期間礦壓異常顯現(xiàn)具體表現(xiàn)為:顯現(xiàn)范圍隨掘進(jìn)工作面向前推移,始終集中在迎頭后方30 m內(nèi),30 m外工作面順槽支護(hù)保持良好;煤炮來(lái)源集中在遺留煤柱側(cè),10201采空區(qū)側(cè)顯現(xiàn)較少;迎頭稍一擾動(dòng),異常礦壓即開始顯現(xiàn);回風(fēng)順槽無(wú)顯現(xiàn),膠帶順槽顯現(xiàn)劇烈。工作面順槽破壞情況如圖2所示。

(a)來(lái)壓導(dǎo)致頂板下沉

2 異常礦壓顯現(xiàn)機(jī)理分析

2.1 遺留煤柱的影響

為了探究膠帶順槽異常礦壓顯現(xiàn)原因,采用鉆屑法對(duì)工作面兩順槽煤體內(nèi)靠近煤柱側(cè)的應(yīng)力進(jìn)行觀測(cè)。鉆屑量與煤體應(yīng)力具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系[11],是一種反映煤體應(yīng)力狀態(tài)比較可靠的監(jiān)測(cè)方法。鉆屑量監(jiān)測(cè)孔選在30501膠帶順槽礦壓顯現(xiàn)最劇烈的位置,在其靠近煤柱側(cè)幫上分別布置孔徑為42 mm,孔間距為1 m的3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行鉆屑量監(jiān)測(cè)。同時(shí)為了對(duì)比,在工作面回風(fēng)順槽距切眼相同距離位置,選取3個(gè)鉆孔對(duì)靠近煤柱側(cè)幫上進(jìn)行監(jiān)測(cè),得到的典型鉆屑量分布曲線如圖3所示。

圖3 30501工作面順槽鉆屑量分布曲線

從圖中可以看出,受掘進(jìn)擾動(dòng)影響,當(dāng)距巷幫10 m時(shí),即遺留煤柱邊緣下方,膠帶順槽鉆屑量達(dá)到最大值,遠(yuǎn)大于前9 m范圍內(nèi)鉆屑量。在現(xiàn)場(chǎng)操作過(guò)程中,當(dāng)鉆到煤柱下方時(shí)出現(xiàn)卡鉆等現(xiàn)象,說(shuō)明在遺留煤柱下方存在較大的應(yīng)力集中并對(duì)膠帶順槽產(chǎn)生較大影響。對(duì)比回風(fēng)順槽鉆屑量發(fā)現(xiàn),鉆屑量峰值出現(xiàn)在距巷幫9 m位置,為2.45 kg,同時(shí)前8 m鉆屑量也遠(yuǎn)低于膠帶順槽側(cè)。比較兩回采工作面順槽監(jiān)測(cè)結(jié)果可知,膠帶順槽鉆屑量整體高于回風(fēng)順槽。

膠帶順槽和回風(fēng)順槽與上覆2#煤層遺留煤柱的不同水平間距導(dǎo)致遺留煤柱對(duì)下部3-5#煤層的應(yīng)力分布產(chǎn)生很大的差異,結(jié)合鉆屑量實(shí)測(cè)結(jié)果,獲得了遺留煤柱下方煤體內(nèi)部的應(yīng)力分布規(guī)律,如圖4所示。煤柱下方應(yīng)力達(dá)到峰值,隨著與煤柱距離的增大,應(yīng)力值逐漸降低,當(dāng)與煤柱水平距離足夠遠(yuǎn)時(shí),下部煤層將不再受煤柱影響,膠帶順槽附近應(yīng)力將降為最小值,且保持不變。根據(jù)煤體應(yīng)力分布曲線,可以沿垂直于順槽走向方向?qū)?-5#煤層受煤柱影響區(qū)域劃分為不同的應(yīng)力分區(qū),即增壓區(qū)和減壓區(qū)。其中增壓區(qū)靠近煤柱,受煤柱影響較大,區(qū)域內(nèi)煤體承受較高的支承壓力;減壓區(qū)距離煤柱較遠(yuǎn),遺留煤柱影響減弱,同時(shí)區(qū)域上方為采區(qū),應(yīng)力值較小。

圖4 2#煤層遺留煤柱影響下3-5#煤層應(yīng)力分布示意圖

30501膠帶順槽與煤柱水平間距較小,其位置處于煤柱影響下的增壓區(qū)內(nèi),煤體本身承受著較高的垂向應(yīng)力。當(dāng)該順槽開始掘進(jìn)時(shí),應(yīng)力的高度集中加之掘進(jìn)擾動(dòng)效應(yīng),極易導(dǎo)致煤體破裂失穩(wěn),礦壓異常顯現(xiàn)。而回風(fēng)順槽由于距煤柱較遠(yuǎn),其位置處于減壓區(qū)內(nèi),工作面順槽圍巖承受的應(yīng)力值相對(duì)較低,掘進(jìn)擾動(dòng)的影響難以造成對(duì)工作面順槽周圍煤體的破壞,因此工作面順槽施工較安全,沒(méi)有明顯的礦壓異常顯現(xiàn)。

綜合分析煤柱影響區(qū)內(nèi)煤體支承壓力分布規(guī)律和工作面順槽所處位置可知,由遺留煤柱引起的工作面順槽圍巖高集中應(yīng)力是異常礦壓發(fā)生的基本條件,同時(shí)也是造成該問(wèn)題的直接原因。

2.2 堅(jiān)硬厚粉砂巖頂板的影響

由于2#煤層與3-5#煤層間距較小,遺留煤柱承載的集中應(yīng)力傳遞至下煤層,造成對(duì)工作面順槽內(nèi)部煤體的破壞。當(dāng)煤層開采后,工作面中部覆巖斷裂垮落充填采空區(qū),而工作面兩端頭覆巖因煤柱支撐呈鉸接懸空狀態(tài),因而把部分載荷轉(zhuǎn)移到了煤柱,煤柱上形成的集中應(yīng)力也會(huì)向下煤層傳遞產(chǎn)生高應(yīng)力。2#煤層上方27 m位置賦存有一層厚而堅(jiān)硬的粉砂巖頂板,在2#煤層開采過(guò)程中,對(duì)該堅(jiān)硬頂板并未采取斷頂處理,使得煤層頂板冒落范圍有限。巖石碎脹系數(shù)取值1.3進(jìn)行保守計(jì)算,冒落帶只能達(dá)到9 m,遠(yuǎn)未及堅(jiān)硬粉砂巖巖層,導(dǎo)致粉砂巖頂板僅發(fā)生彎曲變形,未充分垮斷,致使巖層積聚大量彈性能。

基于以上分析,可以得出30501膠帶順槽掘進(jìn)期間異常礦壓顯現(xiàn)機(jī)制,分析簡(jiǎn)圖如圖5所示。在擾動(dòng)前,整個(gè)圍巖系統(tǒng)處于靜平衡狀態(tài),當(dāng)30501膠帶順槽開挖時(shí),煤體的突然卸載引起工作面順槽頂板對(duì)上覆巖層的支承力降低,2#煤層冒落矸石及垮斷巖層隨工作面順槽頂板下沉而向下運(yùn)移。上述過(guò)程將導(dǎo)致堅(jiān)硬巖層不斷積聚能量并對(duì)2#煤層遺留煤柱進(jìn)行加載,使得煤柱內(nèi)承載應(yīng)力σ2增大。上下煤層較小的層間距使得應(yīng)力能夠很好地向下傳遞,對(duì)30501膠帶順槽內(nèi)部煤體進(jìn)行加載,應(yīng)力σ3-5隨即升高。由于工作面順槽距離上覆2#煤層遺留煤柱較近,σ3-5將很快達(dá)到3-5#煤層的極限強(qiáng)度,煤體受壓積聚的彈性能釋放,煤炮隨即產(chǎn)生。釋放的能量同時(shí)以震動(dòng)波的形式傳遞到工作面順槽,導(dǎo)致工作面順槽圍巖震動(dòng),破壞支護(hù)結(jié)構(gòu)、移動(dòng)重型設(shè)備。因此,掘進(jìn)引起未垮斷堅(jiān)硬厚頂板能量急劇增加,是異常礦壓顯現(xiàn)劇烈的主要原因之一。

圖5 30501膠帶順槽礦壓異常顯現(xiàn)分析圖

3 異常礦壓防治技術(shù)

3.1 30501膠帶順槽優(yōu)化布置

經(jīng)以上分析可知,工作面膠帶順槽異常礦壓顯現(xiàn)的直接原因是工作面順槽與上覆2#煤層遺留煤柱水平距離過(guò)小。因此,為了削弱遺留煤柱對(duì)工作面順槽掘進(jìn)的影響,同時(shí)考慮到接續(xù)30503工作面的回采問(wèn)題,可將膠帶順槽在原有的基礎(chǔ)上再外錯(cuò)28 m,即距上覆遺留煤柱水平距離為38 m(假設(shè)30503回風(fēng)順槽寬度也為5.7 m,則優(yōu)化后的30501膠帶順槽與遺留煤柱距離為10 m+5.7 m+8 m+5.7 m+8 m=37.4 m)。在拐彎前后的中間位置布置接續(xù)30503工作面回采順槽,接續(xù)面順槽與30501回采順槽之間的隔離煤柱均為8 m。上述布置既可以保證外錯(cuò)工作面順槽能夠遠(yuǎn)離煤柱應(yīng)力集中區(qū)域,又可以減少隔離煤柱導(dǎo)致的資源浪費(fèi),優(yōu)化方案如圖6所示。

圖6 工作面順槽優(yōu)化布置方案

在開采前半個(gè)工作面時(shí),可以充分利用已掘工作面順槽,保證回采順利進(jìn)行,同時(shí)在工作面回采時(shí)在優(yōu)化工作面順槽的基礎(chǔ)上進(jìn)行反方向掘進(jìn),保障回采時(shí)工作面順槽的安全性。同時(shí),由于膠帶順槽不便于布置在彎曲工作面順槽內(nèi),可將兩條順槽的功能對(duì)換,即原回風(fēng)順槽變?yōu)槟z帶順槽,原膠帶順槽改為回風(fēng)順槽,從而保證工作面的順利回采。

3.2 水力致裂卸壓措施

為解決工作面上覆煤柱的影響,采用水力致裂措施對(duì)上覆遺留煤柱進(jìn)行卸壓。煤柱寬度20 m,煤柱高度3 m。鉆孔沿回風(fēng)順槽布置,孔底落于3-5#煤層頂板約2.1 m處。單個(gè)鉆孔孔深57 m,水平投影長(zhǎng)41.08 m,垂直投影長(zhǎng)27.8 m,致裂范圍為整個(gè)30501工作面回采區(qū)域。回風(fēng)順槽和膠帶順槽距離切眼90 m布置第 1 組鉆孔,之后每10 m施工1組鉆孔,每組1個(gè)鉆孔,鉆孔直徑50 mm,鉆孔深度57 m,仰角26°43',水平轉(zhuǎn)角0°,回風(fēng)順槽共施工170組,水力致裂鉆孔布置示意圖如圖7所示。

圖7 30501工作面水力致裂上覆2#層煤柱示意圖

3.3 膠帶順槽支護(hù)對(duì)策

針對(duì)回采巷道整體礦壓顯現(xiàn)緩和,巷道局部發(fā)生較嚴(yán)重冒頂和頂板下沉的問(wèn)題,對(duì)優(yōu)化位置后的30501工作面運(yùn)輸巷道正常段及特殊段進(jìn)行分類支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)。

結(jié)合理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際,設(shè)計(jì)選用左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿,規(guī)格為Φ22 mm×2 200 mm,間排距800 mm×800 mm;正常段選用1×7結(jié)構(gòu)鋼絞線錨索,規(guī)格為Φ18.96 mm×6 300 mm,錨索間排距為1 600 mm×2 400 mm,每排2根;特殊段同樣選用1×7結(jié)構(gòu)鋼絞線錨索,規(guī)格為Φ18.96 mm×6 300 mm,錨索間排距為1 600 mm×2 400 mm,每排3根,符合安全施工要求。

表2 斷面及支護(hù)參數(shù)表

4 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)上述礦壓防治方法應(yīng)用效果,對(duì)工作面順槽掘進(jìn)期間變形進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。在30501膠帶順槽拐彎起始段迎頭后方,每隔50 m布置一組監(jiān)測(cè)點(diǎn),共布置5組;在30501膠帶順槽拐彎37 m段,根據(jù)情況布置1組監(jiān)測(cè)點(diǎn);在30501膠帶順槽拐彎完成后,在新掘進(jìn)工作面順槽布置1組監(jiān)測(cè)點(diǎn),布點(diǎn)方式采用十字法。測(cè)點(diǎn)布置如圖8所示。

圖8 工作面順槽變形量測(cè)點(diǎn)布置示意圖

從測(cè)試結(jié)果(圖9)中可以發(fā)現(xiàn),工作面順槽拐彎后的收斂量明顯小于拐彎前的收斂量,且拐彎后距拐點(diǎn)越遠(yuǎn)的測(cè)點(diǎn),其收斂量越小,而拐彎前測(cè)點(diǎn)則基本相同,這說(shuō)明工作面順槽拐彎前距上覆2#煤層柱距離較近,受其影響明顯。此外,工作面順槽拐彎前各測(cè)點(diǎn)的頂?shù)装逡平颗c兩幫移近量的差值基本相同,而工作面順槽拐彎后各測(cè)點(diǎn)頂?shù)装逡平颗c兩幫移近量的差值明顯降低,表明工作面順槽拐彎后避開了上覆采空區(qū)遺留煤柱的影響區(qū),且對(duì)頂?shù)装宓挠绊憸p小程度大于兩幫的影響減小程度,從而使工作面順槽表面變形量趨于正常狀態(tài)。

圖9 距工作面順槽拐彎處不同距離測(cè)點(diǎn)的順槽表面位移量曲線

從掘進(jìn)過(guò)程工作面順槽表面變形情況來(lái)看,采取的礦壓防治措施成功避開了上覆采空區(qū)遺留煤柱的影響,明顯降低了工作面順槽圍巖破碎和變形程度,確保了工作面順槽正常服務(wù)于礦井安全高效生產(chǎn)。

5 結(jié)論

1)塔山煤礦屬于典型的近距離煤層開采礦井,上覆遺留煤柱和堅(jiān)硬頂板等因素是導(dǎo)致30501膠帶順槽異常礦壓顯現(xiàn)的直接原因。

2)針對(duì)膠帶順槽掘進(jìn)過(guò)程中的異常礦壓情況提出相對(duì)應(yīng)的礦壓防治措施,主要包括原有膠帶順槽優(yōu)化布置、遺留煤柱水力預(yù)裂和不同地質(zhì)條件下的巷道支護(hù)對(duì)策。

3)通過(guò)膠帶順槽現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn),結(jié)合巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)的方法，證明針對(duì)膠帶順槽異常礦壓情況提出的防治措施是有效的。