極近距離煤層回采巷道合理布置與支護(hù)技術(shù)

杜 康

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)申南凹焦煤有限公司，山西 鄉(xiāng)寧 042100）

0 引 言

在極近距離煤層開采過程中，由于極近距離煤層的上下煤層間距較小，上煤層的底板即為下煤層的頂板，開采上煤層對(duì)圍巖造成破壞，極容易損壞下煤層的頂板。且上煤層的煤柱容易產(chǎn)生較大的集中應(yīng)力，若應(yīng)力轉(zhuǎn)移到下煤層，極易引發(fā)下煤層巷道的變形，威脅到生產(chǎn)的安全性。因此，對(duì)極近距離煤層回采巷道進(jìn)行合理布置，實(shí)施適宜的支護(hù)技術(shù)，已經(jīng)成為亟待解決的問題。本文以申南凹煤礦1號(hào)和2號(hào)極近距離煤層開采為工程基礎(chǔ)，利用數(shù)值模擬手段對(duì)回采巷道的布置方案及支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了探索，為類似地質(zhì)條件巷道布置及支護(hù)提供借鑒。

1 工作面概況

申南凹煤礦開采的1號(hào)和2號(hào)煤層屬于極近距離煤層，平均厚度分別為1.04m和3.84m，1號(hào)頂板主要成分為泥巖，局部為細(xì)砂巖，底板的主要成分為泥巖和砂紙泥巖，局部為細(xì)砂巖，2號(hào)煤層頂板的主要成分為細(xì)砂巖、泥巖和砂紙泥巖，底板為砂紙泥巖和泥巖，局部為砂紙泥巖。1號(hào)和2號(hào)煤層的距離為5.28m，巷道埋深500m，均為近距離煤層。

2 回采巷道位置的理論分析

2.1 下煤層巷道布置方式

內(nèi)錯(cuò)式、外錯(cuò)式和重疊式布置式布置下煤層回采巷道的主要方式。重疊式布置方式能夠維持上下煤層區(qū)段煤柱的一致性，提升煤的采出率，降低煤的損耗，但容易加大施工難度和維護(hù)巷道的難度。外錯(cuò)式布置方式有助于減小煤柱的寬度，提升煤炭的開采效率，但由于下煤層處于高應(yīng)力區(qū)，加劇了巷道掘進(jìn)的難度。盡管內(nèi)錯(cuò)式布置方式容易增加煤柱的寬度，但有助于為巷道掘進(jìn)提供低應(yīng)力條件，有助于提升掘進(jìn)速度，保證回采工作的正常交替。綜上所述，下煤層回采巷道應(yīng)以內(nèi)錯(cuò)式布置方式為主。

2.2 錯(cuò)距的理論計(jì)算

在采用內(nèi)錯(cuò)式布置方案的過程中，主要以上煤層煤柱應(yīng)力所產(chǎn)生支承壓力峰值距離煤柱邊緣的距離作為參考依據(jù)，對(duì)錯(cuò)距進(jìn)行合理設(shè)定。為了給下煤層巷道維護(hù)提供方便，避免對(duì)上下煤層產(chǎn)生不良影響，需在支承壓力范圍外布置下煤層回采巷道。

結(jié)合對(duì)礦山壓力在底板的傳遞規(guī)律進(jìn)行分析可知，上煤層區(qū)段煤柱邊界距離下煤層回采巷道的計(jì)算公式為：

式中：h1和h2為下煤層頂板的巖層厚度和巷道高度；θ為應(yīng)力傳播影響角。結(jié)合上述公式可以算出，應(yīng)將極近距離煤層回采巷道的錯(cuò)距設(shè)定在4.88m以上。

3 數(shù)值模型的建立

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)極近距離煤層回采巷道的布置方案進(jìn)行模擬，采用實(shí)地取樣的方式獲取煤層頂?shù)装宓膸r層動(dòng)力學(xué)參數(shù)如表1所示。建立尺寸為的Mohr-Coulomb模型，劃分為219480個(gè)網(wǎng)格。假設(shè)巖層的巖質(zhì)較為均勻，均為同性材料，側(cè)面設(shè)置水平位移，上部借助于應(yīng)力邊界實(shí)現(xiàn)對(duì)上覆巖層均布載荷的模擬，底部采用固定支架。1號(hào)煤層為矩形斷面，凈高和凈寬分別為2.8m和4.2m，2號(hào)煤層巷道為矩形斷面，巷高和巷寬分別為3.5m和4.5m，利用錨網(wǎng)索完成支護(hù)。兩巷在回采過程中均采取簡(jiǎn)單支護(hù)形式，在巷道錯(cuò)距為3m、5m、7m、9m、的條件下進(jìn)行模擬，并對(duì)圍巖變形程度、應(yīng)力特點(diǎn)以及塑性破壞規(guī)律進(jìn)行分析。

表1 巖石動(dòng)力學(xué)參數(shù)表

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過將平行于工作面的平面作為切面，對(duì)所構(gòu)建的模型進(jìn)行切片，得出不同錯(cuò)距下的垂直應(yīng)力云圖（如圖1所示）和塑性破壞云圖（如圖2所示）。

圖1 不同錯(cuò)距下的垂直應(yīng)力云圖

圖2 不同錯(cuò)距下的塑性破壞云圖

4.1 不同錯(cuò)距下的圍巖應(yīng)力變化情況

圖1 顯示，當(dāng)錯(cuò)距為3m時(shí)，上下順槽區(qū)段煤柱未出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，表明煤柱已遭破壞，無法起到支撐作用；當(dāng)錯(cuò)距為5m時(shí)，上下順槽煤柱的強(qiáng)度顯著增加，應(yīng)力集中在巷道兩幫處，表明上下順槽的影響呈現(xiàn)減弱趨勢(shì)；當(dāng)錯(cuò)距為7m時(shí)，上下順槽煤柱的強(qiáng)度繼續(xù)增加，巷道兩幫應(yīng)力集中明顯，表明上煤層開采對(duì)下煤層的影響進(jìn)一步降低；當(dāng)錯(cuò)距為9m時(shí)，煤柱應(yīng)力和巷道兩幫應(yīng)力集中情況與錯(cuò)距為7m時(shí)無明顯差異。因此，將巷道錯(cuò)距設(shè)定為7m，具有可行性。

4.2 不同錯(cuò)距下塑性破壞情況

圖2顯示，在上煤層工作面推進(jìn)到100m后，當(dāng)錯(cuò)距為3m時(shí)，上下巷道圍巖塑性破壞區(qū)產(chǎn)生連接，與上煤層相比，下煤層破壞情況較為嚴(yán)重，表明此種條件下上煤層工作面開采工作對(duì)下煤層產(chǎn)生較大影響；當(dāng)錯(cuò)距為5m時(shí)，上下巷道圍巖塑性破壞區(qū)未產(chǎn)生連接，下煤層巷道圍巖相比于上煤層嚴(yán)重，表明此種條件下上煤層工作面開采工作對(duì)下煤層的影響相對(duì)減弱，但仍然較大；當(dāng)錯(cuò)距為7m時(shí)，上下巷道圍巖塑性破壞區(qū)完全分離，下煤層破壞逐漸減弱并穩(wěn)定下來，表明上煤層開采對(duì)下煤層巷道影響甚微。當(dāng)錯(cuò)距為9m時(shí)，巷道圍巖塑性破壞情況近似于錯(cuò)距為7m的情況，因此，將巷道錯(cuò)距設(shè)定為7m。

4.3 不同錯(cuò)距下圍巖變形情況

表2顯示，當(dāng)錯(cuò)距為3m時(shí)，回采巷道圍巖變形量較大，當(dāng)錯(cuò)距為5m時(shí)，巷道圍巖變形量明顯縮小，錯(cuò)距為9m時(shí)的圍巖變形量與7m時(shí)相近，變形量較小。

表2 2號(hào)煤回采巷道圍巖變形情況

5 回采巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)方案

圖3 支護(hù)布置方式圖

2號(hào)煤回采巷道的支護(hù)方案設(shè)計(jì)如下：采用規(guī)格為24mm×2500mm的螺紋鋼錨桿，間排距設(shè)定為800mm×800mm，16根/排，錨桿外露的部分介于10mm到40mm之間；選用1卷CK2340型樹脂錨固劑和1卷K2360型錨固劑；錨桿托盤的碟形托板規(guī)格為150mm×150mm×10mm；幫錨桿扭矩力為100N·m，抗拔力為150kN，金屬網(wǎng)的規(guī)格為900mm×2000mm×6mm。錨索采用21.6mm×8000m的鋼絞線，間排距為1300mm×1600mm，4根/排；托盤的碟形托板規(guī)格為300mm×200mm×20mm，選用1卷CK2340型樹脂錨固劑和1卷K2360型錨固劑；抗拔力為200kN，外露的部分介于150mm到200mm之間；幫錨索采用規(guī)格為15.24×5300mm的鋼絞線，排距為3200mm，上下兩幫各1根，為每根錨索配置球形鎖具，并結(jié)合巷道巖層變化合理調(diào)整支護(hù)參數(shù)。

6 結(jié) 論

1）通過理論計(jì)算認(rèn)為，下煤層回采巷道應(yīng)采取內(nèi)錯(cuò)式布置方式，錯(cuò)距在4.88m以上。通過對(duì)圍巖塑性破壞特征、圍巖應(yīng)力變化以及變形量進(jìn)行分析，降下煤層巷道錯(cuò)距設(shè)定為7m。

2）基于外錯(cuò)式布置且錯(cuò)距為7m的情況下，應(yīng)結(jié)合井下實(shí)際情況，對(duì)支護(hù)方案進(jìn)行調(diào)整。