極近距離煤層回采巷道合理布置與支護技術

杜 康

（山西鄉寧焦煤集團申南凹焦煤有限公司，山西 鄉寧 042100）

0 引 言

在極近距離煤層開采過程中，由于極近距離煤層的上下煤層間距較小，上煤層的底板即為下煤層的頂板，開采上煤層對圍巖造成破壞，極容易損壞下煤層的頂板。且上煤層的煤柱容易產生較大的集中應力，若應力轉移到下煤層，極易引發下煤層巷道的變形，威脅到生產的安全性。因此，對極近距離煤層回采巷道進行合理布置，實施適宜的支護技術，已經成為亟待解決的問題。本文以申南凹煤礦1號和2號極近距離煤層開采為工程基礎，利用數值模擬手段對回采巷道的布置方案及支護設計進行了探索，為類似地質條件巷道布置及支護提供借鑒。

1 工作面概況

申南凹煤礦開采的1號和2號煤層屬于極近距離煤層，平均厚度分別為1.04m和3.84m，1號頂板主要成分為泥巖，局部為細砂巖，底板的主要成分為泥巖和砂紙泥巖，局部為細砂巖，2號煤層頂板的主要成分為細砂巖、泥巖和砂紙泥巖，底板為砂紙泥巖和泥巖，局部為砂紙泥巖。1號和2號煤層的距離為5.28m，巷道埋深500m，均為近距離煤層。

2 回采巷道位置的理論分析

2.1 下煤層巷道布置方式

內錯式、外錯式和重疊式布置式布置下煤層回采巷道的主要方式。重疊式布置方式能夠維持上下煤層區段煤柱的一致性，提升煤的采出率，降低煤的損耗，但容易加大施工難度和維護巷道的難度。外錯式布置方式有助于減小煤柱的寬度，提升煤炭的開采效率，但由于下煤層處于高應力區，加劇了巷道掘進的難度。盡管內錯式布置方式容易增加煤柱的寬度，但有助于為巷道掘進提供低應力條件，有助于提升掘進速度，保證回采工作的正常交替。綜上所述，下煤層回采巷道應以內錯式布置方式為主。

2.2 錯距的理論計算

在采用內錯式布置方案的過程中，主要以上煤層煤柱應力所產生支承壓力峰值距離煤柱邊緣的距離作為參考依據，對錯距進行合理設定。為了給下煤層巷道維護提供方便，避免對上下煤層產生不良影響，需在支承壓力范圍外布置下煤層回采巷道。

結合對礦山壓力在底板的傳遞規律進行分析可知，上煤層區段煤柱邊界距離下煤層回采巷道的計算公式為：

式中：h1和h2為下煤層頂板的巖層厚度和巷道高度；θ為應力傳播影響角。結合上述公式可以算出，應將極近距離煤層回采巷道的錯距設定在4.88m以上。

3 數值模型的建立

采用FLAC3D數值模擬軟件對極近距離煤層回采巷道的布置方案進行模擬，采用實地取樣的方式獲取煤層頂底板的巖層動力學參數如表1所示。建立尺寸為的Mohr-Coulomb模型，劃分為219480個網格。假設巖層的巖質較為均勻，均為同性材料，側面設置水平位移，上部借助于應力邊界實現對上覆巖層均布載荷的模擬，底部采用固定支架。1號煤層為矩形斷面，凈高和凈寬分別為2.8m和4.2m，2號煤層巷道為矩形斷面，巷高和巷寬分別為3.5m和4.5m，利用錨網索完成支護。兩巷在回采過程中均采取簡單支護形式，在巷道錯距為3m、5m、7m、9m、的條件下進行模擬，并對圍巖變形程度、應力特點以及塑性破壞規律進行分析。

表1 巖石動力學參數表

4 數值模擬結果分析

通過將平行于工作面的平面作為切面，對所構建的模型進行切片，得出不同錯距下的垂直應力云圖（如圖1所示）和塑性破壞云圖（如圖2所示）。

圖1 不同錯距下的垂直應力云圖

圖2 不同錯距下的塑性破壞云圖

4.1 不同錯距下的圍巖應力變化情況

圖1 顯示，當錯距為3m時，上下順槽區段煤柱未出現明顯的應力集中現象，表明煤柱已遭破壞，無法起到支撐作用；當錯距為5m時，上下順槽煤柱的強度顯著增加，應力集中在巷道兩幫處，表明上下順槽的影響呈現減弱趨勢；當錯距為7m時，上下順槽煤柱的強度繼續增加，巷道兩幫應力集中明顯，表明上煤層開采對下煤層的影響進一步降低；當錯距為9m時，煤柱應力和巷道兩幫應力集中情況與錯距為7m時無明顯差異。因此，將巷道錯距設定為7m，具有可行性。

4.2 不同錯距下塑性破壞情況

圖2顯示，在上煤層工作面推進到100m后，當錯距為3m時，上下巷道圍巖塑性破壞區產生連接，與上煤層相比，下煤層破壞情況較為嚴重，表明此種條件下上煤層工作面開采工作對下煤層產生較大影響；當錯距為5m時，上下巷道圍巖塑性破壞區未產生連接，下煤層巷道圍巖相比于上煤層嚴重，表明此種條件下上煤層工作面開采工作對下煤層的影響相對減弱，但仍然較大；當錯距為7m時，上下巷道圍巖塑性破壞區完全分離，下煤層破壞逐漸減弱并穩定下來，表明上煤層開采對下煤層巷道影響甚微。當錯距為9m時，巷道圍巖塑性破壞情況近似于錯距為7m的情況，因此，將巷道錯距設定為7m。

4.3 不同錯距下圍巖變形情況

表2顯示，當錯距為3m時，回采巷道圍巖變形量較大，當錯距為5m時，巷道圍巖變形量明顯縮小，錯距為9m時的圍巖變形量與7m時相近，變形量較小。

表2 2號煤回采巷道圍巖變形情況

5 回采巷道的支護設計方案

圖3 支護布置方式圖

2號煤回采巷道的支護方案設計如下：采用規格為24mm×2500mm的螺紋鋼錨桿，間排距設定為800mm×800mm，16根/排，錨桿外露的部分介于10mm到40mm之間；選用1卷CK2340型樹脂錨固劑和1卷K2360型錨固劑；錨桿托盤的碟形托板規格為150mm×150mm×10mm；幫錨桿扭矩力為100N·m，抗拔力為150kN，金屬網的規格為900mm×2000mm×6mm。錨索采用21.6mm×8000m的鋼絞線，間排距為1300mm×1600mm，4根/排；托盤的碟形托板規格為300mm×200mm×20mm，選用1卷CK2340型樹脂錨固劑和1卷K2360型錨固劑；抗拔力為200kN，外露的部分介于150mm到200mm之間；幫錨索采用規格為15.24×5300mm的鋼絞線，排距為3200mm，上下兩幫各1根，為每根錨索配置球形鎖具，并結合巷道巖層變化合理調整支護參數。

6 結 論

1）通過理論計算認為，下煤層回采巷道應采取內錯式布置方式，錯距在4.88m以上。通過對圍巖塑性破壞特征、圍巖應力變化以及變形量進行分析，降下煤層巷道錯距設定為7m。

2）基于外錯式布置且錯距為7m的情況下，應結合井下實際情況，對支護方案進行調整。