近距離煤層下行式開采巷道布置及支護方法探究

摘 要：對爐峪口煤礦近距離8#、9#煤層采用下行式開采時，通過理論分析、數(shù)值模擬等手段著重分析位于上部8#煤層采空區(qū)下方不同位置處的9#煤層巷道應(yīng)力、塑性分布及位移變化等情況，從而為在下行式開采時對下部巷道的布置方法及支護方案的探究提供理論基礎(chǔ)，也為本礦9#煤層中的巷道參數(shù)及支護設(shè)計提供參考和指導(dǎo)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：煤層群；采空區(qū)；數(shù)值模擬；礦壓觀測

中圖分類號：TD353 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.11.072

太原煤氣化股份有限公司爐峪口煤礦位于太原市古交梭峪鄉(xiāng)爐峪口村，2005年起，礦井每年的核定生產(chǎn)能力為8.5×105 t。該礦主要開采太原組上組2#、3#、4#煤和下組8#、9#煤，目前上組煤已開采完畢，下組8#煤也即將開采完畢。為保證礦井的正常銜接，從2012年開始開采下組9#煤層。根據(jù)地質(zhì)資料，本礦一采區(qū)下組8#、9#煤層平均層間距為7.5 m，上部8#煤層中采空區(qū)附近的應(yīng)力分布對下部9#煤層中布置巷道的穩(wěn)定性影響較大，為此，需要對本采區(qū)近距離煤層采場及巷道圍巖應(yīng)力的重新分布進行分析研究，以便為我礦9#煤層巷道的布置及圍巖控制方式等的確定提供科學(xué)依據(jù)。

1 近距離煤層下行式聯(lián)合開采研究

1.1 近距離煤層下行式開采特點

煤礦安全規(guī)程規(guī)定，近距離煤層是指煤層層間距較小、開采時相互影響較大的煤層。對于近距離煤層的聯(lián)合開采，無論是采用何種開采方式，其目的都是以開采第一層煤后不影響第二層煤及其頂?shù)装宓耐暾院瓦B續(xù)性，不影響其正常開采為基準(zhǔn)而研究和制定的。因此，研究近距離煤層的聯(lián)合開采，實則是研究煤層群聯(lián)合開采時回采工作面、回采巷道圍巖的礦壓顯現(xiàn)特征以及對應(yīng)的支護方式和參數(shù)。

1.2 采空區(qū)下部巷道布置方式及其優(yōu)缺點

近距離煤層聯(lián)合開采時，根據(jù)下部煤層與上部煤層的時空關(guān)系，下部煤層回采巷道一般分為三種布置方式，分別是內(nèi)錯式布置、外錯式布置和重疊式布置。通常人們認(rèn)為采空區(qū)下方為減壓區(qū)，圍巖應(yīng)力小于原巖應(yīng)力，而煤柱下方為增壓區(qū)，為保證巷道的穩(wěn)定和安全性，下層煤巷道應(yīng)盡量采用內(nèi)錯式布置，使其位于減壓區(qū)范圍內(nèi)。

內(nèi)錯式布置可以保證下層巷道布置在上層煤開采后形成的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，巷道支護較容易，相關(guān)的工程應(yīng)用較多。但如果與上部采空區(qū)距離過近，上煤層底板破壞范圍就會擴展至下部巷道層位中，也會導(dǎo)致內(nèi)錯式布置巷道支護困難，如果錨桿、錨索剛好錨固在上部采空區(qū)范圍內(nèi)，就會導(dǎo)致巷道支護失效，穩(wěn)定性變差。

2 采空區(qū)下應(yīng)力分布模擬分析

2.1 模型建立

空后，其圍巖應(yīng)力分布及變化規(guī)律對下層9#煤層的影響，本文采用FLAC3D軟件對其進行數(shù)值模擬研究。

FLAC3D采用有限元差分法時步迭代的方法進行計算，因此在每個循環(huán)計算中，通過對各單元節(jié)點的應(yīng)力平衡計算，可求出各節(jié)點的應(yīng)力及位移狀況。所以通過循環(huán)開挖模擬的最終結(jié)果，可以得到在現(xiàn)有8#煤采空區(qū)上部巖層穩(wěn)定的條件，下采空區(qū)周圍應(yīng)力分布狀況及9#煤層中應(yīng)力分布狀況和規(guī)律。

2.2 采空區(qū)下應(yīng)力分布特征分析

圖1 上部8#煤層開采結(jié)束后9#煤層中應(yīng)力分布曲線圖

從圖1中可以看出，下部9#煤層中的三種應(yīng)力在距上部8#煤層采空區(qū)邊緣向煤柱側(cè)20 m、采空區(qū)側(cè)5 m，總計25 m范圍內(nèi)變化幅度最大，為應(yīng)力升高區(qū)。該區(qū)域內(nèi)巷道支護困難，遠離這個范圍，則應(yīng)力逐漸降低恢復(fù)到原巖應(yīng)力水平，這也與理論計算及現(xiàn)有經(jīng)驗基本相符。

3 工作面順槽穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

3.1 順槽支護設(shè)計說明

對爐峪口煤礦9#煤層回采工作面順槽支護方案按照初步設(shè)計進行設(shè)定：斷面形式為矩形。掘進斷面為：寬×高=4 000 mm×2 700 mm。支護形式為錨網(wǎng)聯(lián)合支護，頂板錨桿為φ20×2 200 mm左旋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為750 mm×750 mm，每根錨桿配CK2360和Z2360樹脂藥卷各一卷；兩幫錨桿采用φ18×1 800 mm圓鋼麻花錨桿，錨桿間排距為800 mm×750 mm，每根錨桿配CK2360樹脂藥卷一卷；頂幫鋪設(shè)網(wǎng)片規(guī)格為1 000 mm×2 000 mm，網(wǎng)格100 mm×100 mm，搭接100 mm；錨索使用φ21.6×8 000 mm，1×19結(jié)構(gòu)鋼絞線錨索，托盤規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm鋼板，錨索間排距為1 000 mm×1 500 mm，每根錨索使用一卷CK2360和三卷Z2360樹脂錨固劑。

3.2 對采空區(qū)下方各位置處情況的分析

3.2.1 順槽圍巖應(yīng)力分布模擬情況

在以上FLAC3D數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上設(shè)定巷道，可得到相對于8#煤層采空區(qū)下部不同位置處的9#煤層工作面順槽圍巖應(yīng)力，應(yīng)力分布云圖如圖2、圖3和圖4所示。

圖2 8#煤層采空區(qū)下方不同位置處順槽圍巖垂直應(yīng)力分布云圖

圖3 8#煤層采空區(qū)下方不同位置處順槽圍巖水平應(yīng)力分布云圖

由圖2、圖3和圖4可知，當(dāng)順槽位于上部回采工作面采空區(qū)邊緣煤柱下部應(yīng)力升高區(qū)時，巷道圍巖中的應(yīng)力集中程度

最大，導(dǎo)致位于該位置回采順槽的圍巖穩(wěn)定性最難控制，需在現(xiàn)有方案基礎(chǔ)上加強支護，而位于采空區(qū)和實體煤下方的巷道垂直應(yīng)力集中系數(shù)較小，現(xiàn)有支護方案穩(wěn)定有效。

3.2.2 順槽塑性區(qū)分布模擬情況

上部8#煤層采空區(qū)下不同位置處順槽圍巖塑性區(qū)分布如圖5所示。

圖4 8#煤層采空區(qū)下方不同位置處順槽圍巖剪切應(yīng)力分布云圖

圖5 上部8#煤層采空區(qū)下不同位置處順槽圍巖塑性區(qū)分布云圖

由圖5可知，處于上部煤層回采工作面采空區(qū)邊緣煤柱下方應(yīng)力升高區(qū)中的回采順槽圍巖中的塑性區(qū)分布范圍較大，超出了現(xiàn)有錨桿索支護體系的控制范圍，巷道圍巖較為不穩(wěn)定，主動支護效果較差，在此基礎(chǔ)上仍需要加強支護；位于采空區(qū)下方與實體煤下方的回采順槽圍巖塑性區(qū)分布范圍較小，未超出錨桿索主動支護范圍，支護效果較好。

4 結(jié)論

依據(jù)爐峪口煤礦8#、9#煤層頂?shù)装鍑鷰r地質(zhì)力學(xué)條件，運用FLAC3D對8#煤層采區(qū)區(qū)下不同位置處的巷道圍巖穩(wěn)定性進行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)受上部8#煤采空區(qū)的影響，下部9#煤層所在地層中有明顯的應(yīng)力升高區(qū)和降低區(qū)，上部8#煤采空區(qū)邊緣煤柱下方為9#煤層中的應(yīng)力升高區(qū)，尤其是8#煤采空區(qū)煤壁往煤柱側(cè)5 m、往采空區(qū)側(cè)20 m，共計25 m范圍內(nèi)為最大。

在巷道設(shè)計過程中，9#煤層巷道如果布置在8#煤層采空區(qū)煤柱邊緣下方，則難以支護，應(yīng)該盡量避開8#煤層煤柱，如果必須要通過上部8#煤層采空區(qū)邊緣煤柱時，則必須對煤柱下方巷道加強支護。

如果9#煤層巷道必須布置在8#煤層采空區(qū)邊緣煤柱下方時，則該巷道圍巖應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，巷道圍巖表面位移大，塑性區(qū)分布范圍大，應(yīng)改進巷道支護方案，增加錨桿長度，增設(shè)錨索數(shù)量并減少錨索間排距。

參考文獻

[1]武春陽.極近距離煤層巷道布置與支護研究[J].赤子，2014（3）：235.

[2]宋杰.極近距離煤層回采巷道布置方式的研究[J].山西煤炭，2014（2）：28-30.

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作者簡介：劉偉強（1984—），男，山西太原人，大學(xué)本科，助理工程師，主要從事煤炭開采技術(shù)與管理方面的工作。

〔編輯：王霞〕