采空区下近距离煤层巷道稳定性分析

王海平　张小康　连传杰　马长青

(1.山西焦煤霍州煤电集团；2.山东科技大学泰安校区)



采空区下近距离煤层巷道稳定性分析

王海平1张小康1连传杰2马长青2

(1.山西焦煤霍州煤电集团；2.山东科技大学泰安校区)

摘要团柏煤矿11#煤层工作面回采巷道掘进及支护过程中顶板淋水量大，且直接顶层理裂隙发育并呈碎裂结构，顶板完整性受到影响，局部易发生垮冒事故。针对采空区下近距离巷道顶板的围岩特征，研究上煤层开采对下煤层顶板的影响，并进行了支护方案的优选，通过现场试验可知，锚网支护技术可在采空区下近距离煤层顶板巷道中推广应用。

关键词碎裂顶板；锚网支护；顶板淋涌水

目前，大多数近距离煤层都采用下行开采的方式，在上煤层开采后，采动支承压力对下煤层巷道的稳定性有一定程度的影响，对矿井生产带来安全隐患。本文以团柏煤矿煤层赋存条件为基础， 10#煤层开采后，对其下近距离的11#煤层顶板煤巷进行了稳定性分析。

1　工作面概况

团柏煤矿11#煤层底板为1.50m的铝质泥岩和1.5m的泥灰岩。顶板为粉砂岩，平均厚度5.4m，上部紧邻10#煤层采空区，11#煤层巷道位置如图1所示。

图1　11#煤层巷道位置关系示意

2　近距离煤层围岩特征

(1)10#煤层和11#煤层为近距离煤层，由于10#煤层开采过程中采动支承压力的作用，对11#煤层顶板产生一定程度的破坏，导致11#煤层部分顶板岩层裂隙发育，局部整体性差。若巷道支护方式不当，可能发生冒顶事故[1-2]。

(2)位于10#煤层采空区残留煤柱下区域的11#煤层顶板应力集中，支承压力高，煤柱下巷道容易受较大水平应力的影响，导致围岩压力增加，可能伴随较大侧压现象发生，须采取高预紧力高强耦合方式支护[3]。

3　淋涌水对巷道顶板的影响评价

3.1淋涌水对碎裂巷道顶板影响

巷道开挖后，10#煤层顶板K2灰岩中的水透过该煤层底板渗透入粉砂岩中，导致部分岩层加速破坏。

在流体渗透和围岩应力共同作用下，11煤层顶板因水侵蚀出现膨胀软化，造成碎裂岩块间的摩擦力不足以支撑其重力，加剧了顶板间岩层完整性的破坏，进而引起整体垮落的危险[4]。

3.2淋涌水对支护系统影响

锚杆(索)安装时可能遇裂隙水持续外流，会在粘结面上形成弱面；长时间浸泡后，导致锚固剂强度弱化，使锚杆(索)的锚固力及整个围岩的强度都随着时间的增加而逐渐降低，对支护系统的稳定产生较大威胁。

4　近距离煤层开采的影响

4.1上部煤层开采对底板破坏程度的分析

团柏煤矿10#煤层、11#煤层工作面采用长壁布置，根据滑移线场理论，因支承压力影响而形成的底板屈服破坏深度见图2所示。

根据滑移线场理论，上部煤层开采时底板岩层损伤深度hσ为

(1)

式中，M为上部煤层开采厚度，2.7m；k为应力集中系数，3.0；γ为采场上覆岩层平均容重，2 500kg/m3；H为煤层埋藏深度，340m；C为煤体内聚力，3.01MPa；φ为煤体内摩擦角，32°；f为煤层与顶底板接触面摩擦系数f=tanφ；φf为底板岩层内摩擦角，34°；ξ为三轴应力系数,ξ=(1+sinφ)/(1-sinφ)。

图2 支承压力所形成的底板破坏深度Ⅰ—主动极限区；Ⅱ—过度极限区；Ⅲ—被动极限区

4.2近距离下部煤层顶板分类

根据近距离煤层定义，结合前面的理论公式推导可知，当煤层的层间距离hj满足下式时，应属于极近距离煤层，其顶板全部为破碎顶板。

(2)

表1为近距离下部煤层顶板分类的评判标准。

表1　极近距离煤层顶板分类

从团柏煤矿的地质资料及附近相关矿井的地质报告得到，10#煤层开采对底板屈服破坏深度约0.7m，屈服比ψ=hσ/hj=0.13<1，且顶板厚度满足hj≥1.5m。据此判定11#煤层巷道顶板为块裂顶板，说明上部煤层开采后下部煤层顶板尚未完全损伤破坏，顶板内部具有稳定区域。

4.3近距离下部煤层巷道支护

11#煤层与10#煤层属于近距离煤层，常规的支护方式无法满足巷道稳定和快速施工的要求。根据国内外先进的巷道支护理念及技术，研究采用高预紧力高强锚杆配合锚索钢梁支护。高预紧力锚杆可有效提高围岩的残余强度，锚杆支护形成的锚固平衡拱能挥围岩自身的承载力，有效阻止顶板岩层松散冒落[5]。综合考虑11#煤巷顶板碎裂特征，以及受10#煤层采空区淋水影响的具体情况，采用高预紧力高强锚杆+锚索槽钢梁进行支护。

5　结　语

(1)10#煤层开采后，对11#煤层顶板产生一定程度的破坏，呈现裂隙发育、松散破碎，再加上10#煤层采空区大量积水的长期浸染，对安全生产构成一定的威胁。

(2)通过分析，判定11#煤层巷道顶板为块裂顶板，采用高预紧力高强锚杆和锚索槽钢梁系统支护，保证了巷道的稳定性和安全性，实现了矿井安全生产。

参考文献

[1]杨敬轩,刘长友,杨宇,等.浅埋近距离煤层房柱采空区下顶板承载及房柱尺寸[J].中国矿业大学学报,2013(2):161-168.

[2]郭伟.极近距离煤层采空区下回采巷道稳定性分析及控制技术研究[D].太原：太原理工大学,2015.

[3]安宏图.极近距离煤层采空区下回采巷道布置与围岩控制技术研究[D].太原：太原理工大学,2015.

[4]沈运才.近距离采空区下松散煤层巷道支护技术研究[D].徐州：中国矿业大学,2008.

[5]杨智文.极近距离煤层多采空区下巷道稳定性影响因素及支护对策研究[J].中国煤炭,2014(4):60-64.

(收稿日期2016-05-16)

王海平(1964—)，男，总工程师，工程师，031400 山西省霍州市。