極近距離煤層回采巷道合理布置與支護技術(shù)

張　虎

(西山煤電股份有限公司 西曲礦，山西　古交　030200)

極近距離煤層是指上下兩層可采煤層的層間距很近，且上煤層開采時會對下煤層巷道產(chǎn)生顯著影響的煤層。由于煤層間距極小，下煤層的頂板即為上煤層的底板，上層煤開采過程中，勢必會造成圍巖破壞，導(dǎo)致下煤層頂板損傷破壞；且上煤層所留煤柱易發(fā)生應(yīng)力集中，該應(yīng)力向下煤層轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致下煤層巷道變形劇烈增加，極大地影響了井下的安全生產(chǎn)。因此，如何確定極近距離煤層回采巷道的位置，以及合理的支護技術(shù)是目前極近距離煤層開采的難點。

朱潤生[1]提出極近距離煤層下煤層回采巷道采用內(nèi)錯式布置，確定了不同層間距下煤層回采巷道的支護參數(shù)。于洋等[2]通過數(shù)值計算及對底板應(yīng)力分布規(guī)律和下位煤層巷道變形破壞特征進行分析，確定了下位巷道頂板控制原則，并提出了基于水力膨脹錨桿全長錨固和頂板超前插管法的三維聯(lián)合控頂技術(shù)。郭放等[3]采用FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)合工程實踐的方法，研究了綜采工作面在上覆已采煤層留設(shè)煤柱和采空區(qū)下開采時的應(yīng)力分布規(guī)律。劉春波[4]運用FLAC3D數(shù)值模擬方法研究了近距離煤層不同開采條件下形成的采動應(yīng)力分布特征，重點分析了近距離煤層上煤層先采后下煤層工作面回采巷道的合理布置方式。畢業(yè)武[5]采用理論分析與現(xiàn)場勘探相結(jié)合的方法，分析了深井近距離煤層群動壓開采條件下回采巷道變形失穩(wěn)原因。

本文通過理論計算和數(shù)值模擬的方法，對申南凹煤業(yè)1、2號極近距離煤層回采巷道的布置提出合理方案，并提出了相匹配的支護設(shè)計。

1　工作面地質(zhì)狀況

山西鄉(xiāng)寧焦煤集團申南凹焦煤有限公司位于臨汾市鄉(xiāng)寧縣，建設(shè)規(guī)模為1.01 Mt/a. 礦井現(xiàn)開采1、2號煤，兩層煤屬極近距離煤層。1號煤層平均厚度1.04 m，頂板為泥巖、局部為細砂巖，底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖，局部為細砂巖。2號煤層平均厚度3.84 m，頂板巖性為泥巖、細砂巖、砂質(zhì)泥巖，底板巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖，局部為砂質(zhì)泥巖，上距1號煤層5.28 m. 巷道埋深500 m左右，煤層皆為近水平煤層。

2　理論分析回采巷道位置

2.1　下煤層巷道布置方式

下煤層回采巷道布置有3種形式，分別為重疊式布置、內(nèi)錯式布置和外錯式布置。

重疊式布置的優(yōu)點在于可以使上下煤層之間區(qū)段煤柱一致，煤損較少、采出率較高，但給下煤層回采巷道施工帶來困難，巷道維護工作量大。

內(nèi)錯式布置雖然導(dǎo)致區(qū)段煤柱寬度加大，但是下煤層回采巷道在殘留區(qū)段煤柱邊緣形成的應(yīng)力降低區(qū)下掘進，可提高巷道掘進速度，保證回采工作面的正常接替。

外錯式布置優(yōu)點在于使煤柱寬度減小，下層工作面長度加大，可提高煤炭的采出率； 但下煤層回采巷道位于上煤層區(qū)段煤柱應(yīng)力增高區(qū)下，巷道掘進維護困難。

基于以上原因，下煤層回采巷道布置方式采用內(nèi)錯式布置。

2.2　理論計算巷道錯距

當下煤層回采巷道布置方式采用內(nèi)錯式布置時，巷道的合理錯距主要依據(jù)于上煤層煤柱應(yīng)力集中產(chǎn)生的支承壓力峰值區(qū)至煤柱邊緣的距離。為了減弱上煤層對下煤層的影響，便于下煤層巷道維護，下煤層回采巷道必須布置在支承壓力影響范圍之外，才能避開上煤層區(qū)段煤柱支承壓力的影響。

根據(jù)礦山壓力在底板中的傳遞規(guī)律，可得出上煤層區(qū)段煤柱邊界與下煤層回采巷道的水平間距Ln為：

Ln≥(h1+h2)tanφ

(1)

式中：

h1—下煤層頂板巖層厚度，m；

h2—下煤層巷道高度，m；

φ—應(yīng)力傳播影響角，(°).

由式(1)可理論計算得出，極近距離煤層回采巷道內(nèi)錯式布置合理錯距為大于4.88 m.

3　數(shù)值模型的建立

本次模擬采用FLAC3D5.00對申南凹煤業(yè)極近距離煤層回采巷道的布置進行數(shù)值模擬研究，由實地取樣進行巖石力學(xué)實驗得出參數(shù)，見表1.

計算中采用Mohr-Coulomb材料模型，建立尺寸為100 m×120 m×60 m的模型，共建立網(wǎng)格的數(shù)量為219 480個。模型巖層劃分地質(zhì)柱狀圖，假設(shè)各巖層為均質(zhì)、各向同性材料。模型底部固支，側(cè)面設(shè)置水平位移，上部利用應(yīng)力邊界來模擬上覆巖層載荷。

1號煤層巷道斷面形狀設(shè)計為矩形，凈寬為4.2 m，凈高2.8 m，斷面面積為11.76 m2；2號煤層巷道斷面為矩形，設(shè)計巷寬4.5 m，巷高3.5 m，斷面面積15.75 m2, 均采用錨網(wǎng)索支護。

模擬時，兩回采巷道僅進行了簡單的支護，本次模擬設(shè)計了錯距3 m、5 m、7 m和9 m四種不同方案進行模擬，分別從圍巖的塑性破壞、應(yīng)力變化和圍巖變形進行分析。

表1　煤層頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)匯總表

4　數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過4種方案的數(shù)值模擬，以平行于工作面煤壁的平面為切面，對模型進行切片處理，得出一組垂直應(yīng)力云圖和塑性破壞區(qū)圖，見圖1，2.

4.1　不同錯距圍巖應(yīng)力變化分析

由圖1看出，錯距3 m時，上下順槽間煤柱未發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，說明此時煤柱完全破壞，已經(jīng)沒有支撐能力；錯距為5 m時，上下順槽間煤柱強度增加，巷道兩幫可以看出較為明顯的應(yīng)力集中區(qū)，說明此時兩順槽之間的影響在減弱；錯距為7 m時，上下順槽間煤柱強度進一步增加，巷道兩幫出現(xiàn)非常明顯的應(yīng)力集中區(qū)，說明此時兩順槽間的影響進一步減弱，上煤層的開采對下煤層巷道的影響已經(jīng)很微弱；錯距為9 m時，煤柱應(yīng)力和巷道兩幫應(yīng)力集中情況和錯距7 m時相差不大。因此，將巷道錯距確定為7 m較為合理。

圖1　不同錯距下垂直應(yīng)力云圖

4.2　不同錯距塑性破壞變化分析

不同錯距下，上煤層工作面推進100 m后，上下煤層巷道的圍巖塑性破壞云圖見圖2.由圖2可知，錯距3 m時，上下巷道圍巖塑形破壞區(qū)連在了一起，且下煤層巷道圍巖破壞嚴重，說明此時上煤層工作面的開采對下煤層巷道的影響很大；錯距為5 m時，上下巷道圍巖塑性破壞區(qū)并未連在一起，但下煤層巷道圍巖破壞較為嚴重，說明此時上煤層工作面的開采對下煤層巷道的影響減弱了，但仍然較大；錯距為7 m時，上下巷道圍巖塑性破壞區(qū)完全分開，下煤層巷道圍巖破壞較小且趨于穩(wěn)定，說明此時上煤層工作面的開采對下煤層巷道的影響很小；錯距為9 m時，上下巷道圍巖塑性破壞區(qū)與錯距7 m的情況相近。故巷道錯距確定為7 m較為適宜。

圖2　不同錯距下塑性破壞云圖

4.3　不同錯距圍巖變形分析

不同錯距下，上煤層工作面推進100 m后，下煤層巷道的圍巖變形量見表2.由表2可以看出，錯距為3 m和5 m時，下煤層巷道的圍巖變形量都相較錯距為7 m時大，圍巖變形較為嚴重；錯距為9 m時，下煤層巷道圍巖變形量與錯距7 m時相近，圍巖變形較小，且趨于穩(wěn)定。所以，分析可知錯距7 m較為合適。

綜上所述，針對不同錯距進行4種方案的模擬，從巷道圍巖的應(yīng)力變化、塑性破壞區(qū)域和圍巖變形方面進行分析，最終確定該礦極近距離煤層回采巷道合理的布置錯距為7 m.

表2　2#煤回采巷道圍巖變形表　mm

5　回采巷道合理的支護設(shè)計

為保證申南凹煤礦1、2煤層的安全生產(chǎn)，提出了2號煤回采巷道的支護方案:

錨桿均采用d24 mm×2 500 mm螺紋鋼錨桿，外露長度為10～40 mm，間排距為800 mm×800 mm，每排布置16根；樹脂錨固劑采用CK2340型和K2360型各一卷；錨桿托盤采用150 mm×150 mm×10 mm碟形托板；幫錨桿抗拔力設(shè)計為150 kN，頂錨桿抗拔力設(shè)計為150 kN，扭矩力設(shè)計為100 N·m.金屬網(wǎng)采用900 mm×2 000 mm×d6.0 mm，網(wǎng)片連接方式為：每200 mm遠一扣采用16#鐵絲連成一體。錨索采用d21.6 mm×8 000 mm鋼絞線，每排使用4根，間排距為1 300 mm×1 600 mm；托盤采用300 mm×300 mm×20 mm碟型托板，樹脂錨固劑采用CK2360型一卷和K2360型兩卷，外露長度為150～250 mm，抗拔力設(shè)計為200 kN；幫錨索采用d15.24 mm×5 300 mm鋼絞線，距底1 750 mm，排距3 200 mm，兩幫各打一根，每根錨索增加球形鎖具。當井下巷道煤巖層有變化時，根據(jù)實際情況進行調(diào)整，具體支護布置圖見圖3.

6　結(jié)　論

1) 通過理論分析及計算確定下煤層巷道合理布置方式為內(nèi)錯式，合理錯距為大于4.88 m.

2) 通過數(shù)值模擬的方法，分別對圍巖應(yīng)力變化、塑性破壞區(qū)以及圍巖變形量分析，得出下煤層巷道合理布置錯距為7 m.

3) 針對該礦下煤層回采巷道采用錯距7 m的外錯式布置情況，提出了適合于申南凹煤礦2號煤層巷道的支護設(shè)計。

[1]朱潤生. 極近距離煤層回采巷道合理位置確定與支護技術(shù)[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù),2012,40(04):10-13+17.

[2]于洋,神文龍,高杰. 極近距離煤層下位巷道變形機理及控制[J]. 采礦與安全工程學(xué)報,2016,33(01):49-55.

[3]郭放,高保彬,牛國慶,等. 近距離煤層煤柱及采空區(qū)下綜采工作面礦壓規(guī)律研究[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù),2017,45(05):92-97+169.

[4]劉春波. 馬蘭礦近距離煤層開采圍巖采動應(yīng)力分布特征分析[J]. 煤炭工程,2017,49(07):68-71.

[5]畢業(yè)武,范秀利,蒲文龍,等. 深井近距離煤層群回采巷道失穩(wěn)致因與控制技術(shù)[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù),2015,43(10):51-55.