毛泽渠煤矿厚煤层残采综放面围岩控制技术研究

刘俊杰

（山西安煤矿业设计工程有限公司，山西 太原 030006）

0 引 言

毛则渠煤矿主要开采河东煤田2 号煤层，属于优质主焦煤，矿井整合前井田内2 号煤层小煤窑“以掘代采”的开采方式造成了大量的不规则采空区，小煤窑的采掘活动主要在2 号煤层的顶分层，沿2 号煤层顶板掘巷，上述情况的存在为下分层的开采带来了诸多困难。安全高效地复采该部分煤炭资源对于减少煤炭资源的浪费、延长矿井寿命及提高经济效益方面均具有积极的意义。基于上述分析，展开毛则渠煤炭有限公司2 号煤顶分层破坏区下围岩控制技术研究，为2 号煤层下分层回采提供技术可行、使用可靠、经济合理的围岩控制方案，为煤层安全高效开采提供技术支撑，实现矿井可持续发展。

1 工程概况

毛则渠煤矿202 综放工作面位于井田内一采区，地面标高903～981 m，井下标高713~744 m，东邻保安煤柱，西侧为下山回风巷道，南邻201 综放工作面（已回采），北侧为实体煤。工作面东西走向可采长度1 479 m，南北倾斜长度128 m。2 号煤层平均厚度6.5m，煤层属2 号强粘性瘦煤，上分层2 m，大部分已采空，局部有煤柱，剩余可采厚度为4.5 m。煤层呈层状，水平层理，有显著连续性，变化不大，属稳定煤层，夹矸0.2~0.4 m，节理发育，硬度f=1.7~2.4，对开采无太大影响。工作面采用综放开采工艺，采高2.2 m，放顶2.3 m，循环进度0.6 m。工作面直接顶为1~2 m 厚的泥岩和粉砂岩互层、老顶为3~4 m 厚的细粉砂岩和中砂岩、直接底为泥岩、老底为粉砂岩。

2 顶分层破坏区下采区空间数值模拟研究

2.1 数值计算模型建立

对于顶分层破坏煤层而言，破坏区的空巷和残留煤柱会产生应力降低区和应力集中区，对下分层煤层开采过程中矿压显现产生重要的影响。因此研究重点应放在空巷和煤柱的空间分布及其尺寸大小，因此构建理想化模型后，采用FLAC3D模拟软件进行计算分析。建立不同的煤柱和空巷宽度对比方案：4 m 煤柱和2 m 空巷、4 m 煤柱和 4 m 空巷、8 m 煤柱和 2 m 空巷、8 m 煤柱和4 m 空巷，主要对顶分层破坏区下分层工作面推进过程中围岩应力变化情况进行分析，从而得出煤柱和空巷尺寸对下分层工作面的影响。建模时将2 号煤层分为上下2 层，上层为破坏区，下层为实体煤，上层破坏区位于模型中部，以对下分层工作面接近和远离上分层破坏区过程中围岩应力变化情况进行分析。数值计算模型如图1 所示。

图1 理想化数值计算模型

2.2 理想化模型结果分析

当煤柱宽度为4 m、空巷尺寸为2 m 时，下分层工作面推进过程中，围岩应力分布情况如图2 所示。

图2 下分层工作面推进不同距离围岩应力分布云图

由图可知，在无上分层破坏区情况下，下分层工作面正常推进过程中，工作面前方应力峰值为8MPa；当工作面逐步向前推进与上分层破坏区距离较近时，受上分层破坏区残留煤柱压力的影响，工作面前方应力峰值有所增加，达到10 MPa 左右，当下分层工作面通过上分层残留煤柱区时应力峰值达到12MPa；因此，当工作面通过破坏区时应加强工作面两巷的支护强度及超前支护距离；当下分层工作面逐步推出上分层破坏区时，工作面受残留煤柱应力集中影响减小，工作面前方应力变化逐步趋于平缓，基本保持在8~10MPa。

2.3 理想模型对比方案

为了进一步了解上分层空巷及煤柱尺寸对下分层工作面回采矿压的影响，将煤柱及空巷尺寸增大进行对比分析。煤柱尺寸不变，将空巷尺寸由2 m 增加为4 m，如图3（a）所示；空巷尺寸不变，将煤柱尺寸由4 m 增加为 8 m，如图3（b）所示；煤柱和空巷尺寸同时增大，空巷尺寸由2 m 增加为4 m，煤柱尺寸由4 m增加为 8 m，如图 3（c）所示。

图3 对比方案模型

由前文分析可知，上分层破坏区的存在会对下分层工作面应力分布产生明显的影响，沿下分层工作面推进方向中轴线设置应力监测线，对不同方案工作面采动应力进行监测，绘制如图4 所示曲线。

图4 应力分布对比曲线

由图4 分析可知，不同对比方案中，当煤柱和空巷尺寸均比较大时下分层工作面围岩所承受的应力也比较大，其余几个方案围岩应力值变化差别相对较小，具体分析来看，当残留煤柱宽度为4 m 时，空巷尺寸的增加导致围岩应力的下降，究其原因主要是空巷尺寸的增加可有效缓解下分层工作面应力集中程度，然而当残留煤柱尺寸比较大时，空巷尺寸增加的应力集中缓解效应并无法得到有效发挥。综合分析可知，残留煤柱尺寸的增加会导致应力集中，空巷尺寸的增加会缓解应力集中，但在残留煤柱尺寸较大时，空巷尺寸的增加同样会加剧应力集中现象，因此还有其他因素对应力分布情况产生影响。当残留煤体尺寸较大时，除会导致应力集中程度大外，其自身重量较大，因而导致下层煤体所承受的载荷也较大，对下部承载体强度也提出了更高的要求，此时较大的空巷空间能释放较多的应力，尽力维护下部煤层承载体的完整性，区域应力相对较小；当残留煤体的尺寸较大时，其自身载荷也相对较大，在其他条件相同情况下，下部煤体所承受的载荷更大，容易超过其承载极限，对下层工作面产生影响，在这种情况下，增大空巷尺寸的减压效应与残留煤体自重效应相比，其作用已经不甚明显，因而煤柱尺寸较大的情况下，即使空巷尺寸较大，下分层工作面也会出现高应力。

综上所述，对下分层工作面开采应力分布影响的主要因素有：残留煤柱尺寸、空巷尺寸及下层煤体承载体强度。上述因素相互影响、综合作用，即：其他条件不变，当残留煤柱尺寸越小，对下分层工作面的影响就越小；下分层煤体承载体强度越大，空巷尺寸较大，则会产生显著的应力释放，下分层工作面应力集中现象可以有效缓解；因此，上分层工作面有破坏区存在，在进行下分层工作面开采时最不利的条件为：上分层存在较大的残留煤柱及空巷，而下分层煤体的承载能力还较弱，在该种情况下开采时，要特别注意采取加强支护措施。

3 围岩控制技术

3.1 工作面顶板控制

图5 支架工作面布置图

根据上述分析及202 综放工作面工程地质情况，选择悬移顶梁支架对工作面进行支护，中间架为ZH2600/16/24Z，共 77 架；端头架为 ZH2600/16/24Z，共5 架（如端头支架不能与顺槽工字钢顶梁搭接时，必须采用4 对8 梁对两端头进行支护）；采面共计82架。支架工作面布置如图5 所示。液压支架技术特征如表1 所示。

表1 液压支架技术特征表

3.2 巷道顶板控制

3.2.1 超前支护

运输、回风顺槽超前维护距离20 m 范围内（距工作面煤壁10 m 范围内支双排柱，10~20 m 范围内支单排柱），采用超前支护控制顶板，使用箱型梁+单体柱沿两顺槽超前支护“一梁三柱”，此范围内两顺槽高度不低于1.8 m。

3.2.2 两巷支护

工作面两巷沿2 号煤层底板掘进，采用梯形断面，顶宽3 700 mm、底宽4 500 mm、巷高2 600 mm，采用架棚支护方式。

梯形棚：顶梁长4 000 mm，棚腿长2 650 mm，在顶梁与棚腿搭接处焊接挡块，梯形棚采用12 号工字钢，2 架棚为1 组，对棚支护，双梁双腿，棚距700mm。

金属网：采用12 号铁丝，长8 m、宽1.2 m 的金属网铺满巷道顶板。

背板：巷道两帮采用木背板背实，背板长1m、宽20 cm、厚3 cm，每隔0.65 m 平铺在工字钢梁上。

巷道压力明显地段，采用“一梁三柱”支护，工字钢梁长2.65 m，腿为2.65m 成一条直线在巷道中间距帮1.8m 处支护，对冒顶、过空、顶板压力显现地段采用排架密集支护；掘进工作面遇到顶板破碎、煤层松软等情况时，需采取注浆方式对巷道围岩进行加固。

202 综放工作面顺槽支护断面示意图（图6）。

图6 架棚支护示意图

4 围岩控制效果

4.1 工作面悬移支架现场应用评价

1）支护强度。现场矿压观测结果可知，工作面回采过程中液压支架出现的最大工作阻力为40 MPa，而ZH2600/16/24Z 支架额定工作阻力为45.3 MPa，并未超过其额定工作阻力，在现有开采技术条件下仍可保持较好的工作状态，能够满足工作面回采需求。

2）悬移顶梁支架自身优势。ZH2600/16/24Z 型支架的总体长度约为3.2 m，因此对于下分层开切眼宽度要求较小，对于顶分层破坏条件下巷道的掘进及支护十分有利。此外，支架的运输及安装尺寸灵活，无需再对原有巷道进行扩刷。支架安装完成后，抵抗冲击载荷能力强、受力后稳定性可靠，使用过程中无需进行调架，在承受偏载和倾斜推力后，仍可满足工作面放顶煤使用需求，整体箱式的顶梁结构具有很好的稳定性。

4.2 架棚支护现场应用评价

图7 巷道围岩变形曲线

由图7（a）可知，距离回采工作面25 m 范围外，巷道顶板下沉量基本维持在35 mm 左右，随着工作面的推进，巷道顶板下沉量开始逐步增加，直至工作面推进至该位置，巷道顶板累计下沉量70 mm 左右。

由图7（b）可知，巷道两帮在距离工作面10 m 左右时，围岩变形量呈现逐步增大趋势，由于受动压影响，回采帮围岩变形量大于实体煤帮，直至工作面推进至该位置时，回采帮和实体煤帮围岩水平位移量分别为45、41 mm，两帮累计移近量为86 mm。顶板及两帮围岩变形量均较小，采用梯形钢棚支护方式，有效控制了巷道围岩变形。

5 结 论

1）安全高效地复采矿井残采煤炭资源对于减少煤炭资源的浪费、延长矿井寿命及提高经济效益方面均具有积极的意义。

2）对下分层工作面开采应力分布影响的主要因素有：残留煤柱尺寸、空巷尺寸及下层煤体承载体强度。

3）202 综放工作面选择ZH2600/16/24Z 悬移顶梁支架对工作面进行支护，两巷采用12 号工字钢架棚支护，现场应用效果表明，悬移支架在现有开采技术条件下仍可保持较好的工作状态，架棚支护后工作面两巷围岩变形量较小，实现了工作面的安全高效回采。