極近距離煤層多采空區下巷道穩定性影響因素及支護對策研究

楊智文

（大同煤礦集團有限責任公司，山西省大同市，037003）

針對大同礦區侏羅紀下組可采煤層多、層間距離近、上覆采空區多、上覆多采空區煤柱對下部煤層巷道影響程度大、巷道圍巖受力復雜、支護難度大的特點，進行了巷道支護技術研究，采用數值模擬手段，對影響圍巖應力、變形的可變因子（如采空區層數、煤柱寬度、層間距、巷道布置位置等）進行了研究，找出各因子對下層巷道的影響程度大小和影響規律，為多層采空區下層巷道的合理布置、安全掘進奠定理論基礎，在此基礎上，提出了有效的支護措施，為該條件下巷道的安全、快速、高效掘進提供技術支撐。

1 工程概況

燕子山礦是同煤集團下屬煤礦，井田南北走向長8.8 km，東西傾向寬6.6 km，井田內侏羅紀下組 煤 賦 存 有 11－1＃、11－2＃、12－1＃、12－2＃、14－2＃煤層，均為近或極近距離煤層，開采深度200 m。12＃煤層402盤區巷道布置與11＃煤層輔助盤區巷道成45°斜交，12＃煤層各工作面巷道掘進期間將反復過上覆11＃煤層8200、8202、8204、8206和8208工作面采空區間的煤柱，12＃煤層各工作面的巷道進入上覆采空煤柱下時，由于煤柱的集中壓力影響，圍巖應力較大，導致圍巖變形劇烈，支護十分困難。11＃、12＃煤層工作面布置情況如圖1所示。

圖1 12＃煤層工作面回采巷道與上覆采空區煤柱位置

2 極近距離煤層多采空區下巷道穩定性影響因素研究

2.1 數值模型建立

采用ANSYS軟件進行模擬分析，煤體單元最大邊長不大于1 m，其它各巖層單元按與煤層的遠近，適當劃分。圍巖物理力學性質參照工作面實際巖體力學參數確定，如表1所示。

2.1.1 模型邊界條件

數值計算模型如圖2所示，截取燕子山礦11－2＃、12－1＃、12－2＃近距離煤層群，模型寬150 m，高60 m，研究巷道寬3.0 m、高2.6 m，巷道位于11－2＃、12－1＃煤層煤柱下方的12－2＃煤體內。

為簡化計算，采用平面應變模型Drucker－Prager塑性準則。模型的右邊界施加固定水平位移的約束，底部施加固定垂直位移的約束。模型的上表面施加均布壓應力。

圖2 數值計算模型

2.1.2 模擬方案設計

為模擬不同條件下下層煤體內巷道受上層煤柱影響巷道圍巖的應力分布情況，確定以下模擬方案：

（1）不同寬度煤柱對下層巷道應力分布影響。

（2）煤柱下方不同水平位置對下層巷道應力分布影響。

（3）不同層間距對下層巷道應力分布影響，分為上分層和中間層不同間距對下層巷道應力分布影響，中間層和下分層不同間距對下層巷道應力分布影響。

表1 煤層及頂底板巖層物理力學參數

2.2 數值模擬結果分析

2.2.1 不同煤柱寬度對下層巷道應力分布影響規律

模型選取上分層煤柱寬度分別為10 m、15 m、20 m、25 m，中間層煤柱與上分層煤柱內錯6 m，巷道位于煤柱下方中軸處，上、中、下煤層之間間距分別為10 m、7.5 m的情況進行分析。圖3為不同煤柱寬度時下層巷道頂板應力對比分析圖。

圖3 不同煤柱寬度時，下層巷道頂板垂直、水平應力對比分析

由圖3（a）、（b）可見，位于煤柱中軸處的下層巷道頂板應力呈對稱分布狀態，最大應力位于巷道頂角處，隨著煤柱寬度的增大，下層巷道頂板最大垂直、水平應力均逐漸減小。

2.2.2 煤柱下方不同水平位置對下層巷道應力分布影響規律

選取煤柱寬度20 m，上、中、下煤層間距為10 m、7.5 m條件下，巷道中心距離煤柱中軸分別為0 m、5 m、10 m、15 m、20 m的情況進行分析，圖4（a）、（b）為不同位置巷道頂板應力對比分析圖。

由圖4（a）可知，不同位置巷道頂板最大垂直應力均位于巷道頂角處，隨著巷道中心距離煤柱中軸距離的增大，下層巷道頂板垂直應力逐漸減小，靠近煤柱側應力逐漸大于遠離煤柱側應力，當巷道位于采空區后垂直應力降低幅度較明顯。

由圖4（b）可知，隨巷道中心距離煤柱中軸距離的增大，下層巷道頂板水平應力變化幅度較大，當巷道位于煤柱中軸附近時，巷道頂角水平應力相同；隨著巷道水平位置距離煤柱中軸距離的增大，遠離煤柱側水平應力逐漸增大，而靠近煤柱側水平應力逐漸減小；當巷道位于采空區后，遠離煤柱側水平應力又降低，而靠近煤柱側水平應力則逐漸增大。

圖4 不同水平位置時，下層巷道頂板垂直、水平應力對比分析

2.2.3 不同層間距對下層巷道應力分布影響規律

（1）上分層和中間層不同間距對下層巷道應力分布影響分析。以寬20 m煤柱下方中軸處巷道為研究對象，選取中下分層間距為7.5 m，上分層和中間層間距分別為2.5 m、5 m、7.5 m、10 m、12.5 m、15 m時，對下層巷道應力分布影響。圖5（a）、（b）為上分層和中間層不同間距時下層巷道頂板應力對比分析圖。

由圖5（a）、（b）可知，隨上分層和中間層間距的增大，下層巷道頂板最大垂直應力逐漸降低，而最大水平應力逐漸增大。當上分層和中間層間距由2.5 m增大到15 m時，最大垂直應力由27.58 MPa降低為23.62 MPa，降幅約為14.4%；最大水平應力由4.6 MPa增大到4.89 MPa，增幅約為6.3%。

（2）中間層和下分層不同間距對下層巷道應力分布影響分析。以寬20 m煤柱下方中軸處巷道為研究對象，選取上中分層間距10 m，中間層和下層間 距 分 別 為 2.5 m、5 m、7.5 m、10 m、12.5 m、15 m時，下層巷道應力分布影響。圖6（a）、（b）為中間層和下層不同間距時下層巷道頂板應力對比分析圖。

圖5 上、中層不同間距時，下層巷道頂板垂直、水平應力對比分析

圖6 下、中層不同間距時，下層巷道頂板垂直、水平應力對比分析

由圖6（a）、（b）可見，隨著中間層和下層間距的增大，下層巷道頂板最大垂直應力、最大水平應力均逐漸降低。當中間層和下層間距由2.5 m增大到15 m時，最大垂直應力由26.86 MPa降低為21.12 MPa，降幅約為21.1%；最大水平應力由5.36 MPa降低到3.41 MPa，降幅約為36.4%。

由上述分析可見，中間層和下分層間距的大小對下層巷道頂板應力狀況的影響更加明顯，隨著層間距的增大，巷道頂板最大垂直應力、最大水平應力均逐漸降低。

2.2.4 影響規律分析

（1）上層煤柱寬度越大，下層巷道頂板受力集中程度減小，但影響范圍越大。

（2）下層巷道位于煤柱正下方時，巷道頂板受力最大，隨著巷道位置偏移煤柱中軸線，巷道受力逐漸不對稱，當下層巷道位于采空區下方應力降低區時，頂板受力小容易維護。

（3）層間距越小，煤柱集中應力越容易疊加，煤柱下方應力集中區域影響深度越大，對下層巷道維護越不利，且中間層與下層的間距大小對下層巷道應力狀態影響更加明顯。

（4）分析各因素對應力的影響發現，當改變各因素時，水平應力均在較小范圍內變化，因此主要考察各因素對垂直應力的影響。

（5）當巷道位于煤柱下方不同位置時，垂直應力變化較大，表明該因素對巷道穩定性影響大。同理分析其他兩個因素，可得極近距離煤層下多采空區巷道穩定性的影響因素從大到小依次為不同水平位置影響大于層間距影響大于煤柱寬度影響。

3 巷道穩定對策

根據理論研究和數值模擬研究結果，大同礦區在極近距離煤層群下部巷道掘進時，為了減小上覆煤柱集中壓力的影響，采取了一系列穩定巷道對策。

3.1 巷道布置

（1）盤區巷道布置時，為了避開上覆煤柱的影響，下層巷道與上覆煤層的盤區巷道采用重疊布置。

（2）下層回采巷道布置時，盡量采取內錯布置，布置在采空區下，減小上覆煤柱集中壓力的影響。

3.2 巷道支護

極近距離煤層下層巷道支護時，由于層間距小，普通錨桿、錨索支護方法無法應用，為達到主動支護的目的，充分發揮圍巖的自承能力，采用預應力鋼巖錨組合結構進行支護，支護結構見圖7。

圖7 鋼巖錨組合結構示意圖

采用礦用槽鋼作為組合梁的鋼梁，為了有效利用槽鋼的抗彎截面模量，采取槽鋼槽口向上的方式布置。預應力鋼巖錨組合結構支護的最大特點是將錨桿、鋼梁、巖石3種不同性質的材料進行有效組合，最大限度地挖掘和利用巖石自身的承載潛能。在極近距離煤層巷道支護中，它能發揮結構的自身優勢，解決頂板厚度小、跨度大的支護技術難題。當上下兩煤層間距小于1.0 m時，采取短錨桿加槽鋼梁錨固上覆巖體，形成鋼巖錨組合梁。選用10＃槽鋼，錨桿長度800 mm，間距600 mm、排距800 mm，組合梁的承載力可達1.9 MPa。

3.3 預爆破上覆煤柱

巷道必須斜交或者垂直過上覆煤柱時，由于煤柱的集中壓力影響，巷道圍巖應力較大，導致圍巖變形十分劇烈，支護十分困難。為了消除煤柱集中壓力影響，對上覆煤柱采取預爆破，預先將上覆煤柱進行松動，使煤柱進入 “塑性”狀態，釋放煤柱的集中壓力，以減輕煤柱對下部巷道的影響。當巷道掘進到距離上覆煤柱一定距離時，采用潛孔鉆按照預計角度向煤柱打眼，眼底位置落在煤柱邊緣4 m之內，炮眼直徑60 mm，藥卷直徑50 mm，單位炸藥消耗量0.5 kg／m3，采用導爆索起爆。

4 結論

（1）在近距離煤層群開采時，上層煤柱寬度越大，巷道越靠近采空區，層間距越大，下層巷道頂板受力越小。

（2）極近距離煤層下多采空區巷道穩定性的影響因素中，對巷道穩定性的影響大小依次為煤柱下方不同水平位置影響大于層間距影響大于煤柱寬度影響。

（3）現場應用表明，在極近距離煤層巷道支護中，鋼巖錨組合結構是較好的支護形式，可有效控制下層巷道的圍巖變形。

（4）巷道必須斜交或者垂直過上覆煤柱時，可對上覆煤柱實施預爆破，以大大減輕煤柱對下部巷道的影響。

（5）下覆巷道通過采取多項支護措施，巷道的穩定性得到極大改善，降低了下層巷道的支護費用，取得良好的安全經濟效果。

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