近距離煤層采空區(qū)下巷道支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

周陽，馬曉龍

（國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司，寧夏銀川 750000）

0 引言

煤炭一直占據(jù)我國能源主體地位，2022 年國家統(tǒng)計(jì)局官方發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，在我國工業(yè)發(fā)電量中火電占比仍在穩(wěn)定增長。這得益于近年來全國范圍內(nèi)原煤產(chǎn)量的快速增長，產(chǎn)量連年刷新歷史新高，未來對(duì)煤炭資源的需求更是只增不減。然而，隨著煤炭資源持續(xù)高產(chǎn)采出，我國中、淺埋煤炭資源尤其中東部礦區(qū)資源逐漸枯竭[1]。為了持續(xù)高效利用現(xiàn)有煤炭資源，結(jié)合我國煤層特有賦存形式，近年來加大近距離煤層的開采力度[2-3]。

近距離煤層通常指煤層層間距小于或等于10 m 范圍內(nèi)的煤層群[4-6]，近距離煤層開采通常采用下行開采方式。在上部煤層開采以及開采結(jié)束后遺留煤柱應(yīng)力疊加作用下，底板（下部煤層的頂板） 會(huì)因應(yīng)力重新分布產(chǎn)生塑性破壞，回采巷道安全掘進(jìn)，回采過程穩(wěn)定性降低，影響煤炭資源有效采出。針對(duì)近距離煤層開采諸多問題，朱利軍[7]針對(duì)賀西近距離煤層孤島工作面運(yùn)輸巷圍巖變形嚴(yán)重且難以控制等難題，利用FLAC3D 對(duì)巷道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐效果明顯；任玉龍[8]等針對(duì)大佛寺近距離煤層現(xiàn)工作面回采距離不夠、上煤層采空等問題，提出了運(yùn)輸巷外錯(cuò)，回風(fēng)巷內(nèi)錯(cuò)布置的方法，實(shí)踐研究表明，工作面無明顯應(yīng)力顯現(xiàn)現(xiàn)象；蘭紅[9]等為研究近距離煤層圍巖失穩(wěn)問題，以林東煤業(yè)近距離煤層回采巷道為研究對(duì)象，利用FLAC3D 數(shù)值模擬分析了上位煤層開采對(duì)底板應(yīng)力影響及圍巖破壞情況；王泓博[10]等為了研究上位煤層遺留煤柱對(duì)下部煤層回采巷道布局的影響，從理論計(jì)算、編程計(jì)算、數(shù)值模擬多方面進(jìn)行研究，分析得出了采空區(qū)下煤柱與巷道合適的錯(cuò)距區(qū)間，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐效果良好。以上學(xué)者從采空區(qū)下巷道應(yīng)力演化規(guī)律、近距離煤層開采圍巖控制技術(shù)兩個(gè)方面進(jìn)行了細(xì)致研究，然而由于近距離煤層巷道掘進(jìn)回采過程中存在諸多不確定性因素，本文結(jié)合雙馬一礦下煤層巷道支護(hù)情況，對(duì)12 號(hào)煤層12201 工作面回采巷道進(jìn)行支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 概況

國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司雙馬一礦現(xiàn)主采11 號(hào)、12 號(hào)近距離煤層，11 號(hào)煤層位于12 號(hào)煤層上方，12 號(hào)煤層埋深550 m，11 號(hào)煤層與12 號(hào)煤層平均間距為6.7 m，采用下行開采，11號(hào)煤層厚度為1.25 ～4.23 m，平均厚度為2.51 m；12 號(hào)煤層厚度為2.67 ～5.46 m，平均厚度為4.5 m。上下煤層都采用自然垮落法處理采空區(qū)。11 號(hào)煤層101 和102 工作面都已采完，留有20 m 區(qū)段煤柱。12 號(hào)煤層回采巷道外錯(cuò)7 m 布置在上煤層區(qū)段煤柱下方，采用這種布置方式，巷道掘進(jìn)速度快，可以將錨桿索錨固在穩(wěn)定煤層中，有利于煤炭高效安全開采。12201 工作面運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)為巷寬4 m、巷高3.5 m 的矩形巷道，沿12 號(hào)煤層頂板掘進(jìn)。12201 工作面運(yùn)輸巷空間位置如圖1 所示。

圖1 運(yùn)輸巷空間位置Fig.1 Space position of transportation roadway

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立

根據(jù)礦井地質(zhì)條件，通過FLAC3D 數(shù)值模擬軟件對(duì)11 號(hào)煤層、12 號(hào)煤層及巷道進(jìn)行局部建模，在模型上部邊界施加9.65 MPa 壓應(yīng)力，側(cè)壓系數(shù)取1.2，重力加速度取10 m/s，模型建立情況如圖2 所示。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型Fig.2 Numerical calculation model

2.2 運(yùn)輸巷掘巷及工作面回采應(yīng)力分布情況

先開挖11 號(hào)煤層，待11 號(hào)煤層采空區(qū)穩(wěn)定再進(jìn)行12201 運(yùn)輸巷開挖模擬，模型平衡后得出巷道垂直應(yīng)力分布如圖3 所示。

圖3 掘巷垂直應(yīng)力分布Fig.3 Vertical stress distribution of excavation roadway

由圖3 可知，運(yùn)輸巷外錯(cuò)7 m 布置在區(qū)段煤柱下方，由于遺留煤柱的影響，煤柱高應(yīng)力區(qū)向煤層底板擴(kuò)散至運(yùn)輸巷附近，煤柱底板由于高應(yīng)力作用發(fā)生塑性破壞，巷道幫部存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

最后對(duì)模型進(jìn)行12201 工作面開挖模擬，進(jìn)一步觀察運(yùn)輸巷在多重?cái)_動(dòng)作用下應(yīng)力分布情況。模型平衡后得出巷道垂直應(yīng)力分布如圖4 所示。

圖4 工作面回采應(yīng)力分布Fig.4 Stress distribution of face mining

受12201 工作面回采影響，巷道采空區(qū)側(cè)處于應(yīng)力降低區(qū)，實(shí)體煤幫側(cè)向支承壓力高達(dá)28.7 MPa，而掘巷期間實(shí)體煤幫側(cè)向支承壓力為16.7 MPa，可見在該工作面回采及掘巷、上工作面回采殘余支承壓力疊加作用下，實(shí)體煤幫側(cè)向支承應(yīng)力大幅度升高，在高應(yīng)力持續(xù)作用下，巷道圍巖必將發(fā)生更大范圍的塑性破壞。

2.3 運(yùn)輸巷道破壞過程

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)并結(jié)合數(shù)值模擬分析可知，導(dǎo)致巷道發(fā)生大范圍破壞的原因?yàn)橄锏涝诔上锛盎夭善陂g受到多重?cái)_動(dòng)影響。①由于11 號(hào)煤層回采以及采空區(qū)穩(wěn)定遺留煤柱的影響，對(duì)底板尤其煤柱下方的底板造成一定程度的破壞，在12 號(hào)煤層回采時(shí)，該工作面頂板是上一煤層回采結(jié)束形成的破碎頂板；②在運(yùn)輸巷掘巷期間，煤柱底板下方存在大范圍的應(yīng)力升高區(qū)，巷道兩幫出現(xiàn)不對(duì)稱高應(yīng)力峰值區(qū)；③12201 工作面回采期間，巷道采空區(qū)側(cè)處于應(yīng)力降低區(qū)，而實(shí)煤體側(cè)因多重?cái)_動(dòng)影響而出現(xiàn)更大范圍的應(yīng)力升高區(qū)，巷道圍巖變形嚴(yán)重。

3 巷道支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 初始支護(hù)方案對(duì)比分析

根據(jù)礦井作業(yè)規(guī)程，運(yùn)輸巷成巷期間，巷道采用常規(guī)錨桿索支護(hù)，錨桿間排距800 mm×1000 mm；錨索間排距1600 mm×2000 mm，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巷道變形情況來看，當(dāng)前支護(hù)結(jié)構(gòu)無法滿足工作面回采需要。

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案及模擬

由于12201 工作面運(yùn)輸巷外錯(cuò)7 m 布置在區(qū)段煤柱下方，且巷道靠近11101 煤柱幫的緣故，導(dǎo)致巷幫出現(xiàn)應(yīng)力分布不對(duì)稱現(xiàn)象，因此對(duì)巷道幫部進(jìn)行差異化強(qiáng)支護(hù)。在原支護(hù)方案中，加強(qiáng)巷道兩幫支護(hù)，尤其是實(shí)體煤幫支護(hù)，同時(shí)要加大錨桿索支護(hù)密度，優(yōu)化后的支護(hù)方案如圖5 所示。

圖5 支護(hù)優(yōu)化方案Fig.5 Support optimization scheme

優(yōu)化支護(hù)方案中，錨桿索間排距改為800 mm×800 mm，錨索間排距1600 mm×1600 mm，頂錨桿改為6 支，角錨桿傾斜15°。兩幫都采用全錨索支護(hù)，采空區(qū)幫鋪打2 根垂直于巷幫的錨索，實(shí)煤體幫鋪打3 根錨索，上排角錨索15°，下排角錨索下俯5°。

根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，利用FLAC3D 軟件進(jìn)行錨桿索預(yù)應(yīng)力模擬，巷道優(yōu)化支護(hù)后最大主應(yīng)力云圖如圖6 所示。

圖6 優(yōu)化支護(hù)后最大主應(yīng)力云圖Fig.6 The maximum principal stress cloud diagram after optimized support

可以看出，優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)，能夠在圍巖周圍形成多層承載結(jié)構(gòu)，錨固深度較優(yōu)化之前明顯提升一倍。由于實(shí)體煤幫比采空區(qū)幫支護(hù)密度高，所以右側(cè)錨固范圍更大。優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)，有效控制圍巖塑化，防止塑性區(qū)向深部延展。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用監(jiān)測(cè)效果

現(xiàn)場(chǎng)采用優(yōu)化支護(hù)方案后，對(duì)巷道頂板、兩幫布置測(cè)點(diǎn)進(jìn)行圍巖變形監(jiān)測(cè)，如圖7 所示。

圖7 巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)Fig.7 Surrounding rock deformation monitoring of roadway

采用優(yōu)化支護(hù)方案之后，巷道圍巖變形量得到明顯控制，兩幫圍巖變形穩(wěn)定在300 mm，頂板變形量穩(wěn)定在200 mm，圍巖控制效果良好。

4 結(jié)論

（1） 運(yùn)輸巷掘進(jìn)模擬結(jié)果表明，11 號(hào)煤采空區(qū)穩(wěn)定后，由于遺留煤柱的影響，煤柱高應(yīng)力區(qū)向煤層底板擴(kuò)散至運(yùn)輸巷附近，煤柱底板由于高應(yīng)力作用發(fā)生塑性破壞，巷道幫部出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

（2） 12201 工作面回采模擬結(jié)果表明，受12201 工作面回采影響，巷道采空區(qū)側(cè)處于應(yīng)力降低區(qū)，在多重?cái)_動(dòng)作用下實(shí)體煤幫側(cè)向支承壓力明顯升高。

（3） 通過對(duì)巷道支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，巷道錨固范圍明顯擴(kuò)大，有效控制了巷幫及頂板的圍巖變形量，防止圍巖進(jìn)一步向深部塑化破壞。