近距離煤層群開采巷道布置及支護(hù)設(shè)計(jì)數(shù)值模擬

武守鋒

（山西汾西礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司雙柳煤礦，山西 呂梁 03300）

1 引 言

近距離煤層是指由于不同時(shí)期的成煤作用，使上下兩層可采煤層的層間距較近，并且其中一層煤的開采會對相鄰煤層產(chǎn)生采動影響的煤層群[1-2]。近距離煤層群在我國分布較廣，各大礦區(qū)在開采過程中都會面臨近距離煤層群相互影響問題。

我國關(guān)于近距離煤層區(qū)開采的研究較多[3-5]，尤其近些年來隨著開采深度的不斷增加，在高地應(yīng)力、復(fù)雜構(gòu)造應(yīng)力等影響下，近距離煤層開采過程中開采巷道支護(hù)及穩(wěn)定性問題更為突出。

不同的煤層賦存條件對具體支護(hù)參數(shù)、支護(hù)方案的要求不同。本文以山西雙柳礦上煤層開采后對下煤層開采過程中回采巷道支護(hù)及穩(wěn)定性分析為具體工程背景，通過FLAC3D建立煤層及巖層數(shù)值模型，首先通過下煤層開采巷道圍巖的塑性區(qū)分布規(guī)律確定回采巷道的最優(yōu)錯(cuò)距，然后在該錯(cuò)距的基礎(chǔ)上分析不同支護(hù)方案的支護(hù)效果。

2 地質(zhì)概況及模型建立

雙柳礦的地質(zhì)條件較簡單，2層可采煤層平均間距10m，屬于近距離煤層，煤層頂?shù)装鍘r石主要為砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖、粉砂巖，煤層穩(wěn)定性較好。

如圖1所示，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)賦存條件及建模優(yōu)化處理設(shè)計(jì)的開采模型，自上至下依次為地表上覆巖層、較厚的砂質(zhì)泥巖、薄泥巖、上可采煤層、粉砂巖、下可采煤層、砂質(zhì)泥巖、底板厚巖層。根據(jù)精確并考慮計(jì)算簡便的雙重原則，將模型中間部分的網(wǎng)格細(xì)化，使得巷道及煤柱研究的單元較多，從而進(jìn)一步提高模擬結(jié)果的精確性。

3 開采巷道布置錯(cuò)距選擇

在上煤層開采完成后，根據(jù)下煤層巷道布置的大致范圍，并且考慮到巷道和開切眼寬度為5m，因此，選擇7m、9m、11m三種錯(cuò)距模擬方案，通過分析回采巷道開挖后圍巖塑性區(qū)的分布規(guī)律，進(jìn)行具體的巷道布置比較，如圖2所示。

圖1 近距離煤層群數(shù)值模型及網(wǎng)格細(xì)化圖

圖2 不同錯(cuò)距的巷道圍巖塑性區(qū)圖

圖2(a)可知，在巷道內(nèi)錯(cuò)7m時(shí)，巷道頂板出現(xiàn)了較大塑性區(qū)，底板和兩幫也有部分塑性區(qū)，圍巖總塑性區(qū)范圍大約為18～20m2，巷道不太穩(wěn)定。

由圖2(b)可知，當(dāng)巷道內(nèi)錯(cuò)9m時(shí)，巷道圍巖塑性區(qū)面積為14m2，相比內(nèi)錯(cuò)11m時(shí)減少約1/3左右，這種情況下巷道基本處在穩(wěn)定狀態(tài)，后期再進(jìn)行支護(hù)可以使巷道達(dá)到安全等級，可以進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用。由圖2(c)可知，當(dāng)巷道內(nèi)錯(cuò)11m時(shí)，巷道圍巖塑性區(qū)面積為12m2，相比內(nèi)錯(cuò)9m時(shí)變化不太大，可以推測再繼續(xù)增加巷道內(nèi)錯(cuò)距，圍巖塑性區(qū)基本不會有太大變化，且增加煤柱寬度，減少煤層回采量，不合理。

綜上所述，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，上層煤采動和煤柱的應(yīng)力集中對下層煤的影響更小，最佳內(nèi)錯(cuò)距約為9m最為合理。

4 巷道支護(hù)參數(shù)模擬優(yōu)化

根據(jù)上述分析，結(jié)合工程狀況及下煤層巷道內(nèi)錯(cuò)9m模型，考慮到支護(hù)效果和成本兩方面，在查閱錨桿、錨索布置方式等參考文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，采用頂板和兩幫均用錨桿加錨索且錨桿錨索同排布置方式，并根據(jù)具體的施工要求制定了三種類型的支護(hù)方案。

圖3 支護(hù)方案錨桿、錨索布置圖

支護(hù)方案一：頂板采用高強(qiáng)度左旋螺紋鋼錨桿，為矩形布置方式，間排距為900×900mm，其中錨桿Φ20mm，長度2.4m，錨固長度1.4m，且從巷道Y=0.5m面開始往工作面預(yù)推進(jìn)方向添加錨桿；兩幫同樣采用高強(qiáng)度錨桿，錨桿Φ20mm，長度1.8m，間排距為900×900mm；錨索同樣為矩形布置，間排距2000×2700mm，采用Φ15.24 mm，長度7300mm鋼絞線。

支護(hù)方案二：錨桿、錨索的間排距都增大，將原來的錨桿900×900mm改為1000×1000mm，錨索改為2000×3000mm，其他參數(shù)均不變。

支護(hù)方案三：錨桿、錨索間排距繼續(xù)增大，錨桿改為1100×1100mm，錨索改為2000×3300mm，其他參數(shù)均不變。

圖4～6為三種支護(hù)方案的巷道圍巖豎向位移和水平位移圖。通過比較三種方案的模擬結(jié)果，圖5顯示的巷道周圍的豎向位移和水平位移平均值最小，應(yīng)力集中程度最小，支護(hù)效果比較明顯。

通過分析結(jié)果，方案二中當(dāng)頂板和兩幫均用錨桿加錨索且錨桿、錨索間隔布置，錨桿間排距為1000×1000m，錨索為2000×3000mm時(shí)，支護(hù)效果明顯。

圖4 支護(hù)方案一巷道圍巖位移圖

圖5 支護(hù)方案二巷道圍巖位移圖

圖6 支護(hù)方案三巷道圍巖位移圖

5 結(jié)束語

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，上層煤采動和煤柱的應(yīng)力集中對下層煤的影響更小，最佳內(nèi)錯(cuò)距約為9m最為合理，頂板和兩幫均采用錨桿加錨索且錨桿錨索間隔布置，錨桿間排距為1000×1000m，錨索為2000×3000mm時(shí)支護(hù)效果明顯，符合實(shí)際工程。該研究結(jié)果可為類似條件下的實(shí)際巷道布置提供一定依據(jù)。