近距離下位煤層回采巷道合理位置及支護技術(shù)研究

杜宇

【摘 要】 文章針對近距離下位煤層回采巷道受上位煤層開采影響、巷道礦壓顯現(xiàn)強烈、導(dǎo)致支護困難的問題，以山西某礦7號和8號近距離煤層為研究對象，采用理論計算和數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，確定了8301回風(fēng)順槽合理布設(shè)位置為內(nèi)錯煤柱8m。現(xiàn)場實測結(jié)果表明：內(nèi)錯煤柱8m并采用“錨網(wǎng)索”聯(lián)合支護后，8301回風(fēng)順槽頂?shù)准皟蓭拖鄬σ平孔畲笾捣謩e為85.24mm和178.36mm，巷道圍巖變形得以有效控制。

【關(guān)鍵詞】 近距離煤層;回采巷道;合理位置;圍巖控制

【中圖分類號】 TD355 【文獻標(biāo)識碼】 A 【文章編號】 2096-4102（2022）01-0001-03

本文采用理論計算和數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，對山西某礦近距離下位煤層回采巷道合理布設(shè)位置進行研究，以期為類似工程技術(shù)條件回采巷道布設(shè)位置選擇提供借鑒和參考。

1工程概況

山西某礦主采7號和8號煤，其中7號煤層平均厚度3.07m，傾角4°。8號煤層平均厚度為4.10m，傾角5°。7號和8號煤平均間距為8.36m，屬典型近距離煤層。8號煤層直接頂為厚2.24m的泥巖，基本頂為厚4.02m的砂質(zhì)泥巖，直接底為厚2.25m的泥巖，老底為厚5.74m的細粒砂巖。7號煤區(qū)段煤柱留設(shè)寬度為25m。8301工作面為8號煤首采工作面，位于7303工作面采空區(qū)正下方。8301工作面采用雙巷均為矩形斷面，尺寸為3800mm×4200mm（寬×高）。8301工作面布置情況如圖1所示。

2下位煤層回采巷道合理錯距的理論計算

研究表明，上位煤層開采后在采空區(qū)下形成應(yīng)力降低區(qū)，在區(qū)段煤柱下一定范圍內(nèi)形成應(yīng)力升高區(qū)。為提高下位煤層回采巷道穩(wěn)定性和降低巷道支護成本，應(yīng)將下位煤層回采巷道內(nèi)錯上位煤層遺留煤柱一定距離布置，如圖2所示。巷道內(nèi)錯煤柱水平距離[S]可通過式（1）計算：

S≥Z/sin（α+θ）sinβ? （1）

式中：Z為煤層層間距，取8.36m;α為上位煤層傾角，取4°;[β]為應(yīng)力傳遞影響角，取44°;θ為β余角，θ=90°-β，取46°。將數(shù)據(jù)帶入式（1）可求得S≥7.57m。由此可知8301工作面回采巷道應(yīng)內(nèi)錯煤柱8m布置。

3下位煤層回采巷道合理錯距的數(shù)值模擬

3.1 模型建立

為進一步確定8301工作面回采巷道合理布設(shè)位置，基于7號煤和8號煤實際工程地質(zhì)條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立尺寸為300m×150m×100m（長×寬×高）的三維數(shù)值計算模型，分別對8301工作面回采巷道內(nèi)錯上位7號煤層7303工作面區(qū)段煤柱4m、6m和8m布置時巷道垂直應(yīng)力及塑性區(qū)分布特征進行研究。模型底部限制豎直方向位移，四周限制水平方向位移，上部施加6.26MPa的均布載荷以等效上覆巖層載荷（按照埋深248.8m，上覆巖層平均容重為21.25 kN/m3計算）。數(shù)值模型中煤巖巖層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

3.2 不同錯距下回采巷道垂直應(yīng)力分布特征

不同錯距下回采巷道垂直應(yīng)力分布特征如圖3所示。

由圖3可知，當(dāng)巷道內(nèi)錯煤柱4m布置時，受上位煤層遺留煤柱應(yīng)力集中影響較大，巷道整體位于應(yīng)力升高區(qū)內(nèi)，巷道垂直應(yīng)力峰值達到7.14MPa。當(dāng)錯距增加至6m時，巷道大部分位于應(yīng)力降低區(qū)，靠近上位煤層遺留煤柱側(cè)應(yīng)力較高，垂直應(yīng)力最大值為6.25MPa。當(dāng)錯距繼續(xù)增大至8m時，巷道受上位煤層遺留煤柱集中應(yīng)力影響程度顯著降低，巷道垂直應(yīng)力峰值為2.46MPa，巷道整體位于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，可見內(nèi)錯8m時最利于巷道穩(wěn)定和圍巖控制。

3.3 不同錯距下回采巷道圍巖塑性區(qū)分布特征

不同錯距下回采巷道圍巖塑性區(qū)分布特征如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)巷道內(nèi)錯煤柱4m布置時，巷道圍巖塑性區(qū)分布范圍較大，且巷道左側(cè)塑性區(qū)寬度約為10m，且與上位煤層回采所形成的塑性區(qū)貫通。當(dāng)巷道內(nèi)錯煤柱6m布置時，巷道左側(cè)雖仍存在塑性區(qū)，但其寬度縮減至約6m，且與上位煤層回采所形成的塑性區(qū)間有一定范圍的彈性區(qū)，表明此時巷道圍巖受上位煤層遺留煤柱影響程度降低，有利于巷道維護。當(dāng)巷道內(nèi)錯煤柱8m布置時，巷道左側(cè)圍巖塑性區(qū)寬度僅為3m，表明此時巷道受上位煤柱影響最小，最有利于巷道圍巖控制。

4工程實踐

基于理論計算和數(shù)值模擬研究結(jié)果，確定了8301工作面回采巷道合理布設(shè)位置為內(nèi)錯7303工作面區(qū)段煤柱8m。為評估8301回采巷道內(nèi)錯8m布置時的掘巷效果，根據(jù)該礦實際生產(chǎn)情況，對8301回風(fēng)順槽支護方案及參數(shù)進行設(shè)計，并對掘巷期間巷道表面變形進行觀測和分析。

4.1 巷道支護設(shè)計

8301回風(fēng)順槽采用“錨網(wǎng)索”聯(lián)合支護，支護斷面如圖5所示，具體支護參數(shù)為：頂板錨桿采用Φ22mm×2200mm的左旋螺紋鋼錨桿，間排距為800mm×1000mm，每排垂直于頂板布置5根。錨索選用Φ18.6mm×6000mm的1×7股鋼絞線錨索，間排距為1200mm×2000mm，采用“二0二”方式布置。金屬網(wǎng)采用10號鐵絲編織的網(wǎng)孔尺寸為50mm×50mm的菱形金屬網(wǎng)，規(guī)格為4500mm×1000mm（長×寬）。兩幫錨桿選用Φ20mm×2000mm的左旋螺紋鋼錨桿，間排距為1000mm×1000mm，每排垂直于巷幫布置4根。

4.2 巷道圍巖變形觀測與分析

在8301回風(fēng)順槽掘進期間與巷道內(nèi)距掘進迎頭50m、100m和150m處分別布置巷道表面位移測站，采用“十字布點法”對巷道表面位移進行觀測和記錄，由于3個測點所觀測到的巷道表面位移變化規(guī)律基本一致，故以1號測點觀測到的數(shù)據(jù)為例進行分析，巷道表面位移隨時間的變化如圖6所示。

由圖6可知，在為期60d的觀測時間內(nèi)，巷道表面位移量隨時間呈先快速增大，再緩慢增長，最后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律。具體表現(xiàn)為：在0～20d內(nèi)，巷道頂?shù)装寮皟蓭拖鄬σ平吭鲩L速度較快;在20d～30d內(nèi)，巷道頂?shù)装寮皟蓭拖鄬σ平侩S時間的增長速率逐漸減小;在30d以后，巷道頂?shù)装寮皟蓭拖鄬σ平炕沮呌诜€(wěn)定。此外，巷道頂?shù)准皟蓭拖鄬σ平孔畲笾捣謩e為85.24mm和178.36mm，巷道圍巖變形在允許范圍內(nèi)，表明內(nèi)錯上位7303工作面區(qū)段煤柱8m布置8301回風(fēng)順槽時，巷道圍巖變形得以有效控制。

5結(jié)語

文章采用理論計算的方法確定了8301工作面回采巷道合理布設(shè)位置為內(nèi)錯煤柱8m。采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對比分析了內(nèi)錯煤柱4m、6m和8m時8301回風(fēng)順槽垂直應(yīng)力及塑性區(qū)分布特征，結(jié)果表明：內(nèi)錯煤柱8m時，巷道垂直應(yīng)力峰值為2.46MPa，巷道左側(cè)塑性區(qū)寬度為3m，此時最有利于巷道圍巖控制。

現(xiàn)場實踐結(jié)果表明：8301回風(fēng)順槽內(nèi)錯煤柱8m布置并采用“錨網(wǎng)索”聯(lián)合支護后，巷道頂?shù)准皟蓭拖鄬σ平孔畲笾捣謩e為85.24mm和178.36mm，巷道圍巖控制效果顯著。

【參考文獻】

[1]李鵬，沈玉旭，許海濤.近距離煤層下煤層回采巷道內(nèi)錯布置合理錯距數(shù)值模擬研究[J].山西煤炭管理干部學(xué)院學(xué)報，2015，28（2）：40-41，51.

[2]趙正軍.采空區(qū)下極近距離煤層回采巷道支護設(shè)計研究[J].山西煤炭，2020，40（4）：27-31，40.

[3]姚鵬飛.近距離煤層同采工作面合理布置方式及錯距研究[J].山西能源學(xué)院學(xué)報，2019，32（2）：6-8.

[4]苑杰.西銘礦極近距離煤層回采巷道布置方式分析[J].江西煤炭科技，2021（1）：34-36，40.

[5]崔世榮.近距離煤層回采巷道合理布置及支護技術(shù)研究[J].煤炭科技，2021，42（4）：12-17.

[6]張寶優(yōu).極近距離煤層錯層位巷道布置方式及圍巖控制技術(shù)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2021，49（8）：88-95.

[7]李國棟，劉洪林，王宏志.極近距離下位煤層回采巷道合理布置及圍巖控制技術(shù)研究[J].煤炭工程，2021，53（7）：42-47.

[8]王恩博.采空區(qū)下近距離煤層回采巷道合理位置選擇[J].煤，2021，30（11）：1-3.

[9]賀海鷹.茨溝營煤礦近距離下部煤層回采巷道布置及支護研究[J].山東煤炭科技，2021，39（6）：1-3，6.