近距离下煤层巷道合理布设及支护研究

魏昌彪

（山西煤炭进出口集团有限公司，山西 太原 030024）

引言

煤炭资源在我国一次能源消耗中占据极大的比重，其作为我国工业生产的重要支柱，在国民经济生产中十分重要。据统计，2020 年我国煤炭资源的消耗在我国一次能源消耗中占比接近6 成，且在未来很久一段时间内，煤炭资源仍是我国发展的重要保障。在煤炭资源的开采过程中，由于煤层覆存条件较为复杂，煤层厚度大不相同，所以在进行矿井开采过程中需要选定适合的掘进方式及支护方案[1-2]。煤层间距是影响煤层开采方式选择的重要因素，当煤层间距大时，此时下煤层开采不会受到上煤层开采的扰动，但当煤层间距较小时，此时上煤层的开采将直接影响下煤层巷道顶板的稳定性，造成下煤层巷道失稳，支护难度较大[3-4]。因此研究近距离煤层回采巷道的布置方式及围岩控制方案十分有意义。本文通过数值模拟结合现场实测对回采巷道布设及支护方案的优化进行研究，为矿井高效、安全开采做出一定的贡献。

1 理论分析及背景介绍

某矿5302 工作面作为5 号煤层的综放工作面，工作面标高为+567～+618 m。5 号煤层与4 号煤层的煤层间距为0.7～1.3 m，煤层平均距离值为1.05 m；5 号煤层的平均煤厚度4.2 m，煤层倾角为2°～8°。各煤岩层物理力学参数见表1。

表1 煤岩体物理力学参数

近距离煤层在上煤层开采结束后，此时下煤层开采将会受到较大程度的影响，在一定区域内会形成新的应力分布，此时高应力与低应力区数值差值较大。当煤层开采结束后，此时的煤岩结构的自身稳定性得到破坏，形成新的压应力区域。为了解决下煤层巷道稳定性问题，对下煤层巷道的布置形式进行研究，目前常见的下煤层巷道的布置形式可分为三种，分别为重叠布置、外错布置及内错布置。三种布置方式各有优劣，三种近距离煤层巷道布置示意图如1 所示。

如图1 所示，三种下煤层巷道的布置形式各有利弊，内错方式进行布置时，此时的巷道处于应力降低区范围，围岩受力变形较小，巷道支护难度小，但此时需要加大煤柱的留设宽度，造成资源的浪费。外错巷道的优点在于其留设煤层宽度较小，可以极大提升煤炭的采出率，但其巷道处于高应力环境中，此时的巷道应力环境较差，巷道围岩成本及支护难度较大。重叠布置的优缺点介于内错布置与外错布置之间。为了在提升巷道稳定性的同时，尽量增加煤炭的采出率，在综合对比三种巷道布设形式后，提出在工作面采空区下方进行巷道布置，选定内错同向的形式，沿着相同方向布设两条巷道，通过改变内错方位，确保巷道处于低应力环境区域。解决了反向内错的弊端，提升巷道布置的灵活性。

图1 下煤层巷道布设方式

2 数值模拟分析及支护研究

对下煤层巷道合理布设位置进行数值模拟研究，利用FLAC3D 数值模拟软件进行模型的建立及运算。模型的尺寸大小为645 m×100 m×70 m，对模型进行网格划分，划分后共计326 800 个单元及344 097 个节点。对巷道的应力环境进行设置，巷道的最大水平主应力为5 MPa，最小水平主应力为3.2 MPa，根据覆岩的自重，设定巷道的垂直应力为4.95 MPa，固定模型前后左右及下端部位移，设定为铰接节点。对模型进行模拟计算。工作面回采后煤柱的应力分布云图及煤柱支撑压力曲线如图2 所示。

图2 工作面回采后煤柱的应力分布云图及煤柱支撑压力曲线

从图2 中可以看出，在对工作面进行回采过程中，此时原有的应力环境被改变，巷道不同位置的围岩应力进行重新分布，在上部煤层开采后此时的采空区下部底板位置应力释放，出现应力降低区域。与此同时此时的下煤层受到采空区的压力作用，使得在回采空间靠近煤柱侧的位置出现应力集中，并沿着煤层向着巷道的底板深部逐步转移。在回采作业过程中，应力环境重新分布，此时的应力最大值为23.16 MPa，应力集中系数达到4.6，同时应力最大值区域逐步向着煤柱边缘位置转移，随着采掘作业的不断推进，此时巷道的整体应力呈现降低的趋势，最终回归原岩应力。在距离上煤层工作面采空区边缘约10 m 的位置，此时的垂直应力达到12.19 MPa，应力集中系数为2.5。可以看出在巷道应力集中区域，由于应力集中系数较大，使得煤柱的结构强度有所减弱，支护难度较大。

对底板应力分布特征进行分析，两个工作面回采后采空区侧的底板煤层应力分布如图3 所示。

图3 底板煤层应力分布图

从图3 可以看出，在两个工作面开采过程中，当净煤柱的宽度为0 时，此时的煤柱承受的支撑压力呈现逐步增大的趋势，最大的垂直应力可以达到27.87 MPa，此时的应力集中系数达到5.63。在煤柱底板的应力影响范围内，支撑压力呈现出一定的应力集中现象，在左右两侧的压力值分别为20.38 MPa和20.04 MPa。同时在两个工作面进行回采过程中，由于采动影响，使得煤柱的垂直下方的应力分布进行重新分布，此时的应力集中范围明显大于上煤层遗留煤柱宽度，所以在此位置极易出现过载的失稳情况，应当加强支护。

本文的支护方案选定为采用锚网钢带配合及矿工钢棚联合支护方案，具体支护形式如下：顶板选用钢带、架棚及锚网联合支护，顶板锚杆选用Φ18 mm×1 000 mm 的高强左旋螺纹锚杆，采用五五布置形式，锚杆间排距为0.9 m×1 m。帮部采用11 号矿工钢棚及锚网梁进行联合支护，锚杆采用Φ18 mm×160 mm 的玻璃锚杆，采用二二布置形式，锚杆间排距为1.2 m、1 m。具体支护断面图见下页图4。通过现场验证发现，设计的支护方案能够有效控制巷道的围岩变形，保证工作面的稳定性，支护方案可行。

3 结论

1）通过对下煤层巷道重叠布置、外错布置及内错布置优缺点进行分析，提出在工作面采空区下方进行巷道布置，选定内错同向的形式。

2）通过数值模拟分析，对近距离煤层巷道围岩垂直应力分布情况进行研究，为后续支护方案的选定打下基础。

3）通过分析工程实际，给出了锚网钢带配合及矿工钢棚联合支护方案，经过验证确定了支护方案的可行性。