近距離煤層外錯布置巷道支護技術研究

康 銳

（西山煤電晉興公司斜溝煤礦，山西 呂梁 033600）

近距離煤層因其層間距較小，上層煤回采結束后遺留的工作面煤柱由于應力集中現象會對下層煤工作面巷道的維護產生影響，尤其是當下層煤工作面巷道采取外錯于煤柱下方布置時，頂板破碎難以支護。因此，掌握下層工作面巷道外錯布置于煤柱下方時的應力分布情況及圍巖變形情況對于巷道的支護設計具有十分重要的意義。

本文以山西省晉能集團盛平煤礦3#煤近距離煤層開采為研究背景，采用FLAC3D數值模擬方法研究了下層工作面巷道外錯布置于煤柱下方時的應力分布情況及圍巖變形情況，并以此為依據提出了3#煤層工作面巷道的支護參數。

1 概況

山西省晉能集團盛平煤礦位于臨汾鄉寧縣，核定能力90萬t/a，埋深170m。目前2#煤層已接近回采結束，即將接續3#煤層工作面，2#煤平均厚度2.4m，傾角2°～7°，頂板為泥巖、粉砂巖，底板為泥巖。3#煤平均厚度2.0m，頂板為中粒砂巖，層間距為1.7～5.8m，平均4.6m。2#煤工作面留設煤柱寬度為15m。3#煤布置工作面推進方向與上層2#煤工作面一致，工作面兩順槽外錯布置于上層工作面煤柱下方。礦井地質綜合情況如圖1所示。

圖1 巖層綜合柱狀

2 煤柱圍巖應力及變形規律

采用FLAC3D數值模擬軟件建立2#、3#煤地質模型，通過模擬2#煤的回采，研究上層煤柱圍巖的應力分布及變形規律，煤柱寬度為15m。通過試驗測得煤巖體力學參數如表1所示。

表1 圍巖力學參數

2.1 圍巖變形情況

上層煤回采結束后，煤柱及周圍巖體的變形情況如圖2所示。通過觀察發現，在煤柱兩側距煤壁5m范圍內產生塑性變形，在煤柱中心位置存在彈性內核，說明回采結束后煤柱仍處于穩定狀態。由于上次工作面采動影響，底板發生塑性變形，在層間距為4.6m的情況下，巷道外錯布置于煤柱下方頂板發生塑性變形，承載能力減弱，因此需加強頂板支護。

圖2 彈塑性區域分布

2.2 圍巖應力分布情況

上層煤回采結束后，煤柱及周圍巖體的垂直應力分布情況如圖3所示。通過觀察發現，在煤柱內部應力呈馬鞍狀分布，在兩側對稱存在應力集中區，應力峰值達到40.92MPa，煤柱中心位置垂直應力為33MPa。在煤柱下方存在應力集中區，在層間距為4.6m的情況下，巷道外錯布置于煤柱下方會受到應力集中區的影響，頂板垂直應力較大。

圖3 圍巖垂直應力分布

煤柱下方4.6m位置即3#煤頂板的垂直應力如圖4所示。觀察發現煤柱下方3#煤頂板垂直應力以煤柱中心線為對稱軸對稱分布。在距中心線5m位置應力最大，應力集中系數6.6。應力峰值兩側5～10m位置垂直應力迅速下降至1左右。因此，當3#煤工作面巷道布置于煤柱下方時，頂板垂直應力集中系數較高，巷道頂板易發生塑性破壞，需合理設計巷道支護方式。

圖4 3#煤頂板垂直應力集中系數

3 巷道支護設計優化

3#煤工作面巷道設計寬3.7m，高2.8m，原為“錨桿+錨索+金屬網”聯合支護，錨桿端頭錨固，矩形對稱布置，頂錨桿選用Φ18×2200mm的螺紋鋼錨桿和1200×5000mm的10#鐵絲金屬網；錨索Φ17.8×6000mm。頂錨桿間排距1100×1100mm，每排4根，錨索間排距為1100×1100mm，每排3根。但巷道頂板破碎下沉嚴重，無法保證礦井安全生產。

對3#煤工作面巷道頂板支護設計提出優化方案：頂板采用“錨桿+錨索+金屬網+W鋼帶+11#工字鋼棚”聯合支護，錨桿端頭錨固，矩形對稱布置，頂錨桿選用Φ20×2200mm的螺紋鋼錨桿和1000×5000mm的10#鐵絲金屬網支護；錨索選用型號為Φ17.8×7000mm。頂錨桿間排距為900×900mm，每排5根，錨索間排距1100×1100mm，每排3根。11#工字鋼梁長3.4m，棚腿2.1m，棚距為800mm。

為了檢驗優化方案的效果，對采用優化方案支護的巷道頂板下沉量進行了觀測，如圖5所示。

圖5 3#工作面巷道頂板下沉量

通過對比可知采用優化后的支護方案頂板下沉量由340mm下降為170mm，降低50%，巷道頂板支護效果明顯提升，能夠滿足工作面生產需求。

4 結論

在近距離煤層開采過程中，下層工作面會受到上層遺留煤柱的影響。由于上層煤柱承受了較大的集中應力，會在底板圍巖中形成應力集中區。當下層工作面巷道外錯布置于煤柱下方的應力集中區范圍內，巷道頂板易發生破碎變形。因此，針對盛平煤礦近距離煤層外錯巷道的支護設計方案進行優化，采用“錨桿+錨索+金屬網+W鋼帶+11#工字鋼棚”聯合支護的方式，將頂板下沉量降低50%，對類似近距離煤層工作面巷道的支護具有重要的借鑒意義。