极近距离煤层回采巷道合理布置与支护技术

张　虎

(西山煤电股份有限公司 西曲矿，山西　古交　030200)

极近距离煤层是指上下两层可采煤层的层间距很近，且上煤层开采时会对下煤层巷道产生显著影响的煤层。由于煤层间距极小，下煤层的顶板即为上煤层的底板，上层煤开采过程中，势必会造成围岩破坏，导致下煤层顶板损伤破坏；且上煤层所留煤柱易发生应力集中，该应力向下煤层转移，导致下煤层巷道变形剧烈增加，极大地影响了井下的安全生产。因此，如何确定极近距离煤层回采巷道的位置，以及合理的支护技术是目前极近距离煤层开采的难点。

朱润生[1]提出极近距离煤层下煤层回采巷道采用内错式布置，确定了不同层间距下煤层回采巷道的支护参数。于洋等[2]通过数值计算及对底板应力分布规律和下位煤层巷道变形破坏特征进行分析，确定了下位巷道顶板控制原则，并提出了基于水力膨胀锚杆全长锚固和顶板超前插管法的三维联合控顶技术。郭放等[3]采用FLAC3D数值模拟结合工程实践的方法，研究了综采工作面在上覆已采煤层留设煤柱和采空区下开采时的应力分布规律。刘春波[4]运用FLAC3D数值模拟方法研究了近距离煤层不同开采条件下形成的采动应力分布特征，重点分析了近距离煤层上煤层先采后下煤层工作面回采巷道的合理布置方式。毕业武[5]采用理论分析与现场勘探相结合的方法，分析了深井近距离煤层群动压开采条件下回采巷道变形失稳原因。

本文通过理论计算和数值模拟的方法，对申南凹煤业1、2号极近距离煤层回采巷道的布置提出合理方案，并提出了相匹配的支护设计。

1　工作面地质状况

山西乡宁焦煤集团申南凹焦煤有限公司位于临汾市乡宁县，建设规模为1.01 Mt/a. 矿井现开采1、2号煤，两层煤属极近距离煤层。1号煤层平均厚度1.04 m，顶板为泥岩、局部为细砂岩，底板为泥岩、砂质泥岩，局部为细砂岩。2号煤层平均厚度3.84 m，顶板岩性为泥岩、细砂岩、砂质泥岩，底板岩性为泥岩、砂质泥岩，局部为砂质泥岩，上距1号煤层5.28 m. 巷道埋深500 m左右，煤层皆为近水平煤层。

2　理论分析回采巷道位置

2.1　下煤层巷道布置方式

下煤层回采巷道布置有3种形式，分别为重叠式布置、内错式布置和外错式布置。

重叠式布置的优点在于可以使上下煤层之间区段煤柱一致，煤损较少、采出率较高，但给下煤层回采巷道施工带来困难，巷道维护工作量大。

内错式布置虽然导致区段煤柱宽度加大，但是下煤层回采巷道在残留区段煤柱边缘形成的应力降低区下掘进，可提高巷道掘进速度，保证回采工作面的正常接替。

外错式布置优点在于使煤柱宽度减小，下层工作面长度加大，可提高煤炭的采出率； 但下煤层回采巷道位于上煤层区段煤柱应力增高区下，巷道掘进维护困难。

基于以上原因，下煤层回采巷道布置方式采用内错式布置。

2.2　理论计算巷道错距

当下煤层回采巷道布置方式采用内错式布置时，巷道的合理错距主要依据于上煤层煤柱应力集中产生的支承压力峰值区至煤柱边缘的距离。为了减弱上煤层对下煤层的影响，便于下煤层巷道维护，下煤层回采巷道必须布置在支承压力影响范围之外，才能避开上煤层区段煤柱支承压力的影响。

根据矿山压力在底板中的传递规律，可得出上煤层区段煤柱边界与下煤层回采巷道的水平间距Ln为：

Ln≥(h1+h2)tanφ

(1)

式中：

h1—下煤层顶板岩层厚度，m；

h2—下煤层巷道高度，m；

φ—应力传播影响角，(°).

由式(1)可理论计算得出，极近距离煤层回采巷道内错式布置合理错距为大于4.88 m.

3　数值模型的建立

本次模拟采用FLAC3D5.00对申南凹煤业极近距离煤层回采巷道的布置进行数值模拟研究，由实地取样进行岩石力学实验得出参数，见表1.

计算中采用Mohr-Coulomb材料模型，建立尺寸为100 m×120 m×60 m的模型，共建立网格的数量为219 480个。模型岩层划分地质柱状图，假设各岩层为均质、各向同性材料。模型底部固支，侧面设置水平位移，上部利用应力边界来模拟上覆岩层载荷。

1号煤层巷道断面形状设计为矩形，净宽为4.2 m，净高2.8 m，断面面积为11.76 m2；2号煤层巷道断面为矩形，设计巷宽4.5 m，巷高3.5 m，断面面积15.75 m2, 均采用锚网索支护。

模拟时，两回采巷道仅进行了简单的支护，本次模拟设计了错距3 m、5 m、7 m和9 m四种不同方案进行模拟，分别从围岩的塑性破坏、应力变化和围岩变形进行分析。

表1　煤层顶底板岩石力学参数汇总表

4　数值模拟结果分析

通过4种方案的数值模拟，以平行于工作面煤壁的平面为切面，对模型进行切片处理，得出一组垂直应力云图和塑性破坏区图，见图1，2.

4.1　不同错距围岩应力变化分析

由图1看出，错距3 m时，上下顺槽间煤柱未发生应力集中现象，说明此时煤柱完全破坏，已经没有支撑能力；错距为5 m时，上下顺槽间煤柱强度增加，巷道两帮可以看出较为明显的应力集中区，说明此时两顺槽之间的影响在减弱；错距为7 m时，上下顺槽间煤柱强度进一步增加，巷道两帮出现非常明显的应力集中区，说明此时两顺槽间的影响进一步减弱，上煤层的开采对下煤层巷道的影响已经很微弱；错距为9 m时，煤柱应力和巷道两帮应力集中情况和错距7 m时相差不大。因此，将巷道错距确定为7 m较为合理。

图1　不同错距下垂直应力云图

4.2　不同错距塑性破坏变化分析

不同错距下，上煤层工作面推进100 m后，上下煤层巷道的围岩塑性破坏云图见图2.由图2可知，错距3 m时，上下巷道围岩塑形破坏区连在了一起，且下煤层巷道围岩破坏严重，说明此时上煤层工作面的开采对下煤层巷道的影响很大；错距为5 m时，上下巷道围岩塑性破坏区并未连在一起，但下煤层巷道围岩破坏较为严重，说明此时上煤层工作面的开采对下煤层巷道的影响减弱了，但仍然较大；错距为7 m时，上下巷道围岩塑性破坏区完全分开，下煤层巷道围岩破坏较小且趋于稳定，说明此时上煤层工作面的开采对下煤层巷道的影响很小；错距为9 m时，上下巷道围岩塑性破坏区与错距7 m的情况相近。故巷道错距确定为7 m较为适宜。

图2　不同错距下塑性破坏云图

4.3　不同错距围岩变形分析

不同错距下，上煤层工作面推进100 m后，下煤层巷道的围岩变形量见表2.由表2可以看出，错距为3 m和5 m时，下煤层巷道的围岩变形量都相较错距为7 m时大，围岩变形较为严重；错距为9 m时，下煤层巷道围岩变形量与错距7 m时相近，围岩变形较小，且趋于稳定。所以，分析可知错距7 m较为合适。

综上所述，针对不同错距进行4种方案的模拟，从巷道围岩的应力变化、塑性破坏区域和围岩变形方面进行分析，最终确定该矿极近距离煤层回采巷道合理的布置错距为7 m.

表2　2#煤回采巷道围岩变形表　mm

5　回采巷道合理的支护设计

为保证申南凹煤矿1、2煤层的安全生产，提出了2号煤回采巷道的支护方案:

锚杆均采用d24 mm×2 500 mm螺纹钢锚杆，外露长度为10～40 mm，间排距为800 mm×800 mm，每排布置16根；树脂锚固剂采用CK2340型和K2360型各一卷；锚杆托盘采用150 mm×150 mm×10 mm碟形托板；帮锚杆抗拔力设计为150 kN，顶锚杆抗拔力设计为150 kN，扭矩力设计为100 N·m.金属网采用900 mm×2 000 mm×d6.0 mm，网片连接方式为：每200 mm远一扣采用16#铁丝连成一体。锚索采用d21.6 mm×8 000 mm钢绞线，每排使用4根，间排距为1 300 mm×1 600 mm；托盘采用300 mm×300 mm×20 mm碟型托板，树脂锚固剂采用CK2360型一卷和K2360型两卷，外露长度为150～250 mm，抗拔力设计为200 kN；帮锚索采用d15.24 mm×5 300 mm钢绞线，距底1 750 mm，排距3 200 mm，两帮各打一根，每根锚索增加球形锁具。当井下巷道煤岩层有变化时，根据实际情况进行调整，具体支护布置图见图3.

6　结　论

1) 通过理论分析及计算确定下煤层巷道合理布置方式为内错式，合理错距为大于4.88 m.

2) 通过数值模拟的方法，分别对围岩应力变化、塑性破坏区以及围岩变形量分析，得出下煤层巷道合理布置错距为7 m.

3) 针对该矿下煤层回采巷道采用错距7 m的外错式布置情况，提出了适合于申南凹煤矿2号煤层巷道的支护设计。

[1]朱润生. 极近距离煤层回采巷道合理位置确定与支护技术[J]. 煤炭科学技术,2012,40(04):10-13+17.

[2]于洋,神文龙,高杰. 极近距离煤层下位巷道变形机理及控制[J]. 采矿与安全工程学报,2016,33(01):49-55.

[3]郭放,高保彬,牛国庆,等. 近距离煤层煤柱及采空区下综采工作面矿压规律研究[J]. 煤炭科学技术,2017,45(05):92-97+169.

[4]刘春波. 马兰矿近距离煤层开采围岩采动应力分布特征分析[J]. 煤炭工程,2017,49(07):68-71.

[5]毕业武,范秀利,蒲文龙,等. 深井近距离煤层群回采巷道失稳致因与控制技术[J]. 煤炭科学技术,2015,43(10):51-55.