近距離煤層下層煤回采順槽穩定性數值模擬研究

鄭越超

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近距離煤層下層煤回采順槽穩定性數值模擬研究

鄭越超

(山西焦煤汾西礦業集團南關煤業有限責任公司，山西 晉中市 031300)

近距離煤層由于其煤層間距小，導致諸多巷道布置及支護問題。采用數值模擬方法，針對3種不同位置下的回采順槽，模擬采用現階段支護形式的支護效果，對比原支護的支護效果。主要結論如下：當順槽巷道位于采空區及實體煤下方時采用原巷道支護方案可行，但當順槽巷道位于采空區煤壁下方應力升高區時，采用原支護方案時支護效果差，應及時調整支護方案與支護參數，以確保巷道支護安全。針對該礦實際情況，提出了位于采空區煤壁下方的順槽巷道優化支護參數。

近距離煤層；數值模擬；支護優化

0 引 言

近距離煤層由于其煤層間距小，導致諸多巷道布置及支護問題。主要分為以下3種情況：下層煤工作面巷道位于上層煤巷道采空區下、煤柱下或者實體煤下。不同的巷道位置分布，對應的巷道圍巖受力也不同，其巷道支護設計也應具有針對性。

本文以爐峪口煤礦8#與9#近距離煤層為研究背景，采用數值模擬的方法，針對3種不同位置下的工作面順槽，模擬采用現階段支護形式的支護效果，對比8#煤層巷道采用原支護的支護效果，對該礦回采順槽的支護提出建議，研究成果對該礦井的安全生產具有借鑒意義。

爐峪口煤礦現開采8#和9#煤層，兩煤層屬近距離煤層，層間距平均為7.5 m。礦井9#煤層厚度為0.92~2.50 m，平均厚度為1.48 m。煤層結構簡單，含0~3層夾矸，頂底板皆為泥巖。9#煤層工作面巷道為矩形斷面，凈斷面積為11.2 m2，巷道寬為4 m，高為2.8 m。

該礦在開采完8#煤層工作面后，進行9#煤層的下行開采時，發現9#煤層受8#煤層工作面開采影響比較大。影響的位置主要發生在采空區下方、采空區煤柱下方和8#煤實體煤下方3種典型位置。當9#煤層工作面位于這3種位置時，其在掘進及回采期間，巷道圍巖所受到的應力大小及應力集中位置不同。因此，本文針對這3種情況，對9#煤層工作面巷道進行相應的研究，設計合理的支護方案。

1 數值模擬研究

由于9#煤層中回采順槽與上覆采空區的相對位置存在巷道位于采空區下、煤柱下、實體煤下3種情況，因此對回采順槽處于3個典型位置處的圍巖應力及巷道表面位移情況進行數值模擬研究，以驗證所提出的回采順槽支護方案是否穩定合理，研究結果如下。

爐峪口礦3條大巷順槽具體支護方案如表1所示。

表1 3條大巷順槽支護方案

(1) 相對上覆采空區煤壁不同位置處順槽圍巖應力分布。由圖1~圖3可以看出，不同位置處回采順槽圍巖中應力分布規律與之前所研究3條大巷圍巖中應力分布規律相同，當順槽位于采空區煤壁下方，且為應力升高區時，巷道圍巖中的應力集中程度最大，位于該位置回采順槽的圍巖穩定性最難控制，因此處于采空區煤壁下方的巷道在原有支護方案上還需要進行加強支護。而位于采空區和實體煤下方的工作面巷道應力集中較小，原有支護方案即有效。

圖1 各位置順槽垂直應力分布

圖2 各位置順槽水平應力分布

圖3 各位置順槽剪切應力分布

(2) 相對上覆采空區煤壁不同位置處順槽圍巖塑性區分布。從圖4可以得到，采空區煤壁下方的應力增加區域內的塑性區分布較為廣泛，超出了現有支護結構的控制區域，需增加支護措施；而實體煤下方的順槽圍巖塑性區分布較小，在支護范圍之內，支護效果良好。

圖4 不同位置處順槽圍巖塑性區分布

(3) 相對上覆采空區煤壁不同位置處順槽圍巖位移分布。圖5為相對上覆采空區煤壁不同位置的回采順槽表面垂直位移分布云圖，分析圖5可得出，位于采空區下面與實體煤下方的回采巷道，巷道頂板下沉量與底鼓量均較小，支護結構能夠很容易地控制巷道頂板的位移。但位于采空區煤壁下方應力升高區內的回采順槽巷道表面位移值較大，頂板下沉量達到了37.32 mm，底鼓量達到了30.15 mm，巷道表面變形量較大，因此煤壁下巷道支護困難。

圖5 各位置順槽垂直位移分布

圖6為相對上覆采空區煤壁不同位置的回采順槽表面水平位移分布云圖，由圖6可知，位于采空區煤壁下方應力升高區內的回采順槽巷道兩幫移近量較大，左幫達到了31.07 mm，右幫達到了35.67 mm，這表明，由于上方采空區煤柱的存在，導致下方工作面巷道圍巖所受應力升高，應力集中程度變大，巷道兩幫所受壓力的升高導致巷道兩幫移近量較大，兩幫支護也不穩定，需要加強支護。

圖6 各位置順槽水平位移分布

表2 相對上覆采空區煤壁不同位置處順槽表面位移

2 回采順槽支護問題及建議

當順槽巷道位于采空區及實體煤下方時，采用原設計巷道支護方案是可行的。但當順槽巷道位于采空區煤壁下方應力升高區時，采用原支護方案時應加強安全管理與穩定性監測，及時調整支護方案與支護參數，有必要采用拱形斷面加強支護或架金屬棚增強支護強度，以確保巷道支護安全。

當9#煤層工作面巷道過8#煤層采空區煤柱時，其巷道圍巖變形難以控制。在巷道布置時，應將9#煤層工作面巷道設計避開8#煤層采空區煤柱。若無法避開時，則需要針對此類巷道進行加強支護設計，防止巷道變形過大，影響正常的生產運行。

建議順槽巷道支護參數：矩形斷面4000 mm× 2700 mm，頂錨桿采用直徑Φ20 mm長度2200 mm的左旋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距設計為750 mm×750 mm；兩幫幫錨桿采用直徑Φ18 mm長度1800 mm的圓鋼錨桿，錨桿間排距設計為800 mm×750 mm，網片規格為1000 m×2000 mm，網格100 mm×100 mm，搭接100 mm。錨索使用Φ21.6 mm×8000 mm鋼絞線錨索，錨索間距1000 mm×排距1500 mm。

3 結 論

以爐峪口煤礦8#、9#近距離煤層為研究背景，針對3種情況下的回采順槽現階段支護形式，利用數值模擬的方法，對3種情況下回采順槽的支護效果進行對比研究。主要結論如下：

(1)當順槽巷道位于采空區及實體煤下方時采用原巷道支護方案可行，但當順槽巷道位于采空區煤壁下方應力升高區時，采用原支護方案時支護效果差，應及時調整支護方案與支護參數，以確保巷道支護安全。

(2) 提出了位于采空區煤壁下方的順槽巷道優化支護參數：矩形斷面4000 mm×2700 mm，頂板錨桿選用Φ20 mm×2200 mm左旋螺紋鋼錨桿，錨桿間距和排距參數為750 mm×750 mm；兩幫幫錨桿采用直徑Φ18 mm長度1800 mm的圓鋼錨桿，錨桿間排距設計為800 mm×750 mm。錨索使用Φ21.6 mm×8000 mm鋼絞線錨索，錨索間距1000 mm×排距1500 mm。

[1] 郭 偉.極近距離煤層采空區下回采巷道穩定性分析及控制技術研究[D].太原:太原理工大學,2015.

[2] 安宏圖.極近距離煤層采空區下回采巷道布置與圍巖控制技術研究[D].太原:太原理工大學,2015.

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[5] 徐小兵.淺埋近距離煤層群回采巷道變形機理及其控制技術研究[D].西安:西安科技大學,2012.

(2018?08?18)

鄭越超(1989—)，男，山西靈石人，助理工程師，主要從事掘進開拓技術研究及管理工作，Email：253181114@qq.com。