近距離下煤層巷道合理布設及支護研究

魏昌彪

（山西煤炭進出口集團有限公司，山西 太原 030024）

引言

煤炭資源在我國一次能源消耗中占據極大的比重，其作為我國工業生產的重要支柱，在國民經濟生產中十分重要。據統計，2020 年我國煤炭資源的消耗在我國一次能源消耗中占比接近6 成，且在未來很久一段時間內，煤炭資源仍是我國發展的重要保障。在煤炭資源的開采過程中，由于煤層覆存條件較為復雜，煤層厚度大不相同，所以在進行礦井開采過程中需要選定適合的掘進方式及支護方案[1-2]。煤層間距是影響煤層開采方式選擇的重要因素，當煤層間距大時，此時下煤層開采不會受到上煤層開采的擾動，但當煤層間距較小時，此時上煤層的開采將直接影響下煤層巷道頂板的穩定性，造成下煤層巷道失穩，支護難度較大[3-4]。因此研究近距離煤層回采巷道的布置方式及圍巖控制方案十分有意義。本文通過數值模擬結合現場實測對回采巷道布設及支護方案的優化進行研究，為礦井高效、安全開采做出一定的貢獻。

1 理論分析及背景介紹

某礦5302 工作面作為5 號煤層的綜放工作面，工作面標高為+567～+618 m。5 號煤層與4 號煤層的煤層間距為0.7～1.3 m，煤層平均距離值為1.05 m；5 號煤層的平均煤厚度4.2 m，煤層傾角為2°～8°。各煤巖層物理力學參數見表1。

表1 煤巖體物理力學參數

近距離煤層在上煤層開采結束后，此時下煤層開采將會受到較大程度的影響，在一定區域內會形成新的應力分布，此時高應力與低應力區數值差值較大。當煤層開采結束后，此時的煤巖結構的自身穩定性得到破壞，形成新的壓應力區域。為了解決下煤層巷道穩定性問題，對下煤層巷道的布置形式進行研究，目前常見的下煤層巷道的布置形式可分為三種，分別為重疊布置、外錯布置及內錯布置。三種布置方式各有優劣，三種近距離煤層巷道布置示意圖如1 所示。

如圖1 所示，三種下煤層巷道的布置形式各有利弊，內錯方式進行布置時，此時的巷道處于應力降低區范圍，圍巖受力變形較小，巷道支護難度小，但此時需要加大煤柱的留設寬度，造成資源的浪費。外錯巷道的優點在于其留設煤層寬度較小，可以極大提升煤炭的采出率，但其巷道處于高應力環境中，此時的巷道應力環境較差，巷道圍巖成本及支護難度較大。重疊布置的優缺點介于內錯布置與外錯布置之間。為了在提升巷道穩定性的同時，盡量增加煤炭的采出率，在綜合對比三種巷道布設形式后，提出在工作面采空區下方進行巷道布置，選定內錯同向的形式，沿著相同方向布設兩條巷道，通過改變內錯方位，確保巷道處于低應力環境區域。解決了反向內錯的弊端，提升巷道布置的靈活性。

圖1 下煤層巷道布設方式

2 數值模擬分析及支護研究

對下煤層巷道合理布設位置進行數值模擬研究，利用FLAC3D 數值模擬軟件進行模型的建立及運算。模型的尺寸大小為645 m×100 m×70 m，對模型進行網格劃分，劃分后共計326 800 個單元及344 097 個節點。對巷道的應力環境進行設置，巷道的最大水平主應力為5 MPa，最小水平主應力為3.2 MPa，根據覆巖的自重，設定巷道的垂直應力為4.95 MPa，固定模型前后左右及下端部位移，設定為鉸接節點。對模型進行模擬計算。工作面回采后煤柱的應力分布云圖及煤柱支撐壓力曲線如圖2 所示。

圖2 工作面回采后煤柱的應力分布云圖及煤柱支撐壓力曲線

從圖2 中可以看出，在對工作面進行回采過程中，此時原有的應力環境被改變，巷道不同位置的圍巖應力進行重新分布，在上部煤層開采后此時的采空區下部底板位置應力釋放，出現應力降低區域。與此同時此時的下煤層受到采空區的壓力作用，使得在回采空間靠近煤柱側的位置出現應力集中，并沿著煤層向著巷道的底板深部逐步轉移。在回采作業過程中，應力環境重新分布，此時的應力最大值為23.16 MPa，應力集中系數達到4.6，同時應力最大值區域逐步向著煤柱邊緣位置轉移，隨著采掘作業的不斷推進，此時巷道的整體應力呈現降低的趨勢，最終回歸原巖應力。在距離上煤層工作面采空區邊緣約10 m 的位置，此時的垂直應力達到12.19 MPa，應力集中系數為2.5。可以看出在巷道應力集中區域，由于應力集中系數較大，使得煤柱的結構強度有所減弱，支護難度較大。

對底板應力分布特征進行分析，兩個工作面回采后采空區側的底板煤層應力分布如圖3 所示。

圖3 底板煤層應力分布圖

從圖3 可以看出，在兩個工作面開采過程中，當凈煤柱的寬度為0 時，此時的煤柱承受的支撐壓力呈現逐步增大的趨勢，最大的垂直應力可以達到27.87 MPa，此時的應力集中系數達到5.63。在煤柱底板的應力影響范圍內，支撐壓力呈現出一定的應力集中現象，在左右兩側的壓力值分別為20.38 MPa和20.04 MPa。同時在兩個工作面進行回采過程中，由于采動影響，使得煤柱的垂直下方的應力分布進行重新分布，此時的應力集中范圍明顯大于上煤層遺留煤柱寬度，所以在此位置極易出現過載的失穩情況，應當加強支護。

本文的支護方案選定為采用錨網鋼帶配合及礦工鋼棚聯合支護方案，具體支護形式如下：頂板選用鋼帶、架棚及錨網聯合支護，頂板錨桿選用Φ18 mm×1 000 mm 的高強左旋螺紋錨桿，采用五五布置形式，錨桿間排距為0.9 m×1 m。幫部采用11 號礦工鋼棚及錨網梁進行聯合支護，錨桿采用Φ18 mm×160 mm 的玻璃錨桿，采用二二布置形式，錨桿間排距為1.2 m、1 m。具體支護斷面圖見下頁圖4。通過現場驗證發現，設計的支護方案能夠有效控制巷道的圍巖變形，保證工作面的穩定性，支護方案可行。

3 結論

1）通過對下煤層巷道重疊布置、外錯布置及內錯布置優缺點進行分析，提出在工作面采空區下方進行巷道布置，選定內錯同向的形式。

2）通過數值模擬分析，對近距離煤層巷道圍巖垂直應力分布情況進行研究，為后續支護方案的選定打下基礎。

3）通過分析工程實際，給出了錨網鋼帶配合及礦工鋼棚聯合支護方案，經過驗證確定了支護方案的可行性。