近距離煤層下位工作面巷道支護優化設計

黃 林

（山西壽陽潞陽長榆河煤業有限公司， 山西 晉中 045414）

引言

長榆河煤礦現開采6～15 號下煤層，井田面積6.562 4 km2，礦井年產量90 萬t，采用下行開采。目前15 號煤東翼采區資源接近枯竭，急需規劃開采東翼采區15 號下煤資源。由于15 號煤與15 號下煤層的層間距在0.5～10.6 m，平均4.34 m，屬近距離煤層開采。在近距離煤層開采時，下部煤層會呈現一些新的礦山壓力特點。現有的近距離煤層開采的成果都是針對煤層間距相對較大的情況，而對于這種間距特別小的并不能完全適用[1-3]。因此，深入、系統地研究長榆河煤礦近距離煤層開采的圍巖控制理論和相關技術是實現長榆河煤礦15 號下煤層安全、高效開采的首要前提。

1 遺留煤柱及其底板巖層應力分布數值模擬分析

受上覆遺留煤柱在底板巖層中傳遞支承應力的影響，下煤層回采巷道會發生不同程度的失穩破壞，突出表現為下煤層工作面回采巷道頂板大面積破碎并形成“網兜”狀下沉、兩幫移近量較大[4-6]。根據煤層的開采實際情況，采用FLAC3D 建模[7-10]，幾何模型如圖1 所示。模型在垂直方向高度為125 m，水平方向上長度為600 m，15 號煤層厚度為2.62 m，15 號下煤層厚度2.65 m，兩煤層間距為5 m。

圖1 計算模型示意圖

在15 號煤層開采時會留有煤柱，煤柱在受到上覆巖層壓力時會產生應力集中問題。這里的煤柱寬度為25 m。圖2 給出了回采完成后上覆巖層的垂直應力分布和水平應力分布云圖。

圖2 15 號煤層及底板巖層應力分布圖

由圖2 可以發現，在15105 工作面回采后，遺留煤柱在采空區上覆巖層的作用下，產生了較為明顯的應力集中現象。與此同時，還可以發現，煤柱承受的載荷還向底板傳遞，而在采空區以下的底板處于卸壓狀態。

2 下煤層巷道合理布置位置及圍巖控制

2.1 下煤層巷道合理位置分析

由以上數值模擬可知，15 號下煤層開采時，會受到15 號非常開采時遺留煤柱的應力傳遞的影響。這在一定程度上影響15 號下煤層開采時兩巷的穩定性。因此，為了保證巷道的穩定性實現安全開采，必須要使巷道的變形處于安全范圍以內，這就要求合理地選擇回采巷道的位置。

根據長榆河煤礦地質條件及下部煤層回采巷道布置原則，15 號下煤層回采時兩巷應該布置在遺留煤柱形成的應力升高區范圍以外。為了確定這個最佳的距離，對巷道和遺留煤柱之前的距離進行模擬，分析不同距離條件下巷道的變形情況，從而確定最佳的巷道位置。

2.2 下煤層回采巷道合理位置的確定

為確定15 號煤下102 工作面回采巷道與遺留煤柱的合理錯距，現提出以下5 種布置方案。每種方案的區別在于巷道與上覆遺留煤柱的水平距離不同。方案一到方案五與煤柱的水平距離分別為5 m、10 m、15 m、20 m 以及25 m。采用FLAC3D 在本文建立的模型基礎上開挖巷道進行模擬，其中巷道的尺寸為4.1m×3.0m。不同錯距位置巷道圍巖的塑性區分布如圖3 所示。

圖3 巷道不同布置方案圍巖塑性分布

由圖3 塑性分布可以發現，隨著巷道與遺留煤柱的水平距離增加，巷道的塑性區范圍呈現減小的趨勢。例如，方案一的兩幫塑性區域范圍為2.5~3 m，而方案五的兩幫塑性區范圍為1.5 m 以內。塑性區的范圍越小，說明巷道承受的應力越小，巷道的穩定性也就越好。通常情況下，塑性區的深度在1.5 m 以下比較合適。因此，方案四和方案五可以作為巷道布置的最佳選擇。也就是說，回采巷道與遺留煤柱的最小水平距離為20 m。

為了更詳細地對比巷道的變形破壞情況，對巷道的變形情況進行統計分析。取巷道頂底板移近量和兩幫中心點位移變化作為分析量。圖4 給出了兩種統計量隨著回采巷道與遺留煤柱的距離變化而變化的趨勢。

由圖4 可以發現，隨著與煤柱邊緣錯距的增加，巷道頂底板移近量和兩幫移近量都呈現減小的趨勢。在方案一時，兩種方案的巷道頂底板移近量和兩幫移近量分別為207 mm、235 mm。而在方案四和方案五時，二者分別為65 mm、86 mm，與方案一相比減小了31.4%、63.4%。此外，還可以發現，在方案四和方案五時，這兩種統計量都趨于穩定。因此，考慮到巷道穩定性和煤炭資源采出率兩個因素，方案四是下部煤層回采巷道的最優布置方式，即15 號下部煤層102 工作面回采巷道與遺留煤柱邊緣的最優錯距為20 m。

圖4 回采巷道與煤柱不同錯距圍巖變形量

3 下煤層工作面巷道支護參數

根據礦方提供的地質資料以及在15 號煤層工作面順槽進行底板打鉆探煤結果顯示，15 號煤層與15號下煤層的層間距離為0.5～16 m，平均7.32 m，兩層煤之間主要為炭質泥巖、泥巖、砂質泥巖。根據礦方工作面接替計劃，15 下103 工作面開始進行沿空留巷，即15 下103 回風順槽進行留巷，15 下105 運輸順槽進行留巷，15 下103 運輸順槽、15 下105 運輸順槽與15 下103 回風順槽支護形式均不同[11-12]，具體如下：

1）當層間距＜2.5 m 時，采用11 號工字鋼棚+斜撐+金屬網支護，棚間距600 mm，加斜撐。工字鋼棚梁采用11 號礦用工字鋼制作，長度3 900 mm。棚腿采用11 號礦用工字鋼制作，長度3 200 mm。金屬網采用6 號鋼筋網，網格為50 mm×50 mm，頂網選擇4 200 mm×1 100 mm 片網，幫網為2 700 mm×1 100 mm。頂（幫）網進行對接，利用16 號鉛絲雙絲雙扣、孔孔相連。

2）當層間距在2.5～8 m 時，采用11 號工字鋼棚+錨桿+斜撐+金屬網支護，棚間距900 mm，加斜撐。頂板采用Φ22 m×2 400 m 左旋螺紋鋼筋錨桿，托盤為150 mm×150 mm×10 mm 碟形托盤；頂錨桿間排距900 mm、900 mm，每排布置5 根錨桿，兩邊頂角錨桿安設角度為與垂線呈20°；每根錨桿采用樹脂錨固劑CK2335、Z2360 各1 根。錨桿吊W 型高強度鋼帶及金屬網護表，W 型鋼帶為3 900 mm×280 mm×5 mm，金屬網為50 mm×50 mm 的6 號鋼筋網，頂網為4 200 mm×1 100 mm 片網；幫網為2 700 mm×1 100 mm。頂（幫）網進行對接，利用16 號鉛絲雙絲雙扣、孔孔相連。

3）當層間距＞8 m 時，巷道為矩形巷道，錨桿+金屬網+ 鋼筋梁+ 錨索補強聯合支護。頂板采用Φ22 m×2 400 m 左旋螺紋鋼筋錨桿，托盤為150 mm×150 mm×10 mm 碟形托盤；兩邊頂角安設角度為與垂線呈20°；頂錨桿間排距800 mm、900 mm，每排6 根；每根錨桿采用樹脂錨固劑CK2335、Z2360 各1 根錨固；錨桿吊W 型高強度鋼帶及金屬網護表，W型鋼帶為4 300 mm×280 mm×5 mm。頂錨索采用Φ17.8 mm×6 300 mm 低松弛預應力鋼絞線，長度不小于6 300 mm，頂錨索采用“三二三二”布置，間排距1 400 mm、900 mm/1 800 mm；錨索吊W 型高強度鋼帶，W 型鋼帶為3 100 mm×330 mm×6 mm；采用樹脂錨固劑為（CK2335×1+Z2360×2）樹脂藥卷錨固，錨索托盤為300 mm×300 mm×16 mm 鋼板。巷幫采用Φ22 mm×2 000 mm 左旋螺紋鋼筋錨桿，錨桿托盤為150 mm×150 mm×10 mm 碟形托盤，間排距800 mm、900 mm，每排4 根。幫頂角錨桿距頂板400 mm與水平線呈15°仰角打設，幫底角錨索距底板500 mm 與水平線呈10°仰角打設，其余均垂直幫部打設。幫鋼筋梁為Φ14 mm 鋼筋焊接，寬為100 mm、長為2 700 mm。金屬網采用50 mm×50 mm 的6 號鋼筋網，頂網片規格4 500 mm×1 100 mm，幫部網片規格2 700 mm×1 100 mm。頂（幫）網進行對接，利用16 號鉛絲雙絲雙扣、孔孔相連。

4 結語

為了實現近距離煤層的安全開采，對巷道支護進行設計。在進行設計時，采用了數值模擬方法。在巷道間距不同時，采用不同的支護形式。當層間距＜2.5 m時，采用11 號工字鋼棚+斜撐+金屬網支護；當層間距在2.5～8 m 時，采用11 號工字鋼棚+錨桿+斜撐+金屬網支護；當層間距＞8 m 時，巷道為矩形巷道，采用錨桿+金屬網+鋼筋梁+錨索補強聯合支護。