贺西矿近距离煤层采空区下巷道布置与围岩控制技术研究

张文凯

（山西汾西矿业集团有限责任公司贺西矿，山西 吕梁 032300）

0 前言

随着煤矿开采的强度不断增加,地质赋存条件好的煤层开采殆尽，而地质条件复杂、赋存条件较差的煤层,如极近距离煤层成为煤矿开采的重点。煤层开挖打破原岩应力平衡，改变围岩应力分布,损伤围岩原生结构，削弱围岩自身稳定。特别是近距煤层开采普遍存在采场顶板稳定性差，易垮落，巷道围岩变形大难控制等问题，同时开挖之后应力重分布对锚杆锚索支护产生一定的影响。因此，国内外诸多学者对近距离煤层采空区下巷道布置和围岩支护开展相关研究。曹东升[1]基于云冈矿32015 工作面运输巷道，分析运巷变形机制，提出合理的运巷支护工艺。牛福龙[2]针对近距离煤岩层开采，通过围岩变形规律，提出合理的锚网索支护方案。吴兵兵[3]采用FLAC 3D 数值模拟软件对分析桁架锚杆合理的预加应力值。由此可见，近距煤层开采巷道围岩应力特征以及锚网支护结构的优化是个炙手可热的问题。

1 矿井概况

贺西煤矿位于河东煤田中部，柳林县城东南12km，井田面积18.9 km2，矿井核定生产能力300 万t/a，目前开采山西组3#、4# 煤层，3316 综采工作面主要开采三采区3#煤层，其上部煤层已经采空，相邻煤层间距6 m 左右，层间距较小，工作面回采属于近距离采空区下开采。按设计3316 工作面运输顺槽外段380米内错10 m，里段内错尺寸减小至重叠，然后又呈外错状。可以看出，3316 运输顺槽布置相对于9#煤层采空区来讲，巷道不同程度的处于上煤层采空区外侧、内侧和重叠位置。巷道位置不同，受9#煤层开采影响程度不同，其所处的围岩状态和应力环境亦不同。

2 数值构建与模拟分析

2.1 模型建立

以贺西矿3316 工作面运输顺槽为基础，采用FLAC 3D 数值模拟软件，对开挖之后巷道围岩应力重分布以及塑性变形分布开展分析。由于3316 工作面处于3#煤层采空区之下，3316 运输顺槽大部分（外段）呈内错（10 m）布置，里段呈内错、重叠和外错布置，边界煤柱属于实体煤体。模型分两次开挖，初次3312 工作面开挖，二次开挖计算在初次开挖计算完成后进行。基于模拟要求，模型尺寸大小：200 m×50 m×50 m，共计500 000 个单元[4]。为了精准计算该模型采用摩尔-库伦准则计算，如图1 所示。

图1 模型建立

边界条件采用底部、四周固定，上部施加自重应力加压。巷道垂深按350 m 计算，则σz=γH=2 500 N/m3×350 m=8.75 MPa，即模型上部施加8.75 MPa 的匀布载荷。

2.2 2.3#煤层工作面数值模拟分析

3316 运输顺槽大部分呈内错10 m 布置于上部煤层3312 工作面采空区之下，里段基本呈重叠布置。通过对上部煤层3312 工作面开挖，利用FLAC 3D 模拟开采之后工作面侧向支承压力的影响范围并分析对3316 运输顺槽产生的影响。图2、图3 分别为上煤层工作面开采围岩应力分布及塑性区分布数值模拟结果[5]。

图2 3#煤层工作面开采垂直应力（Pa）分布

图3 3#煤层工作面开采围岩塑性区分布

由图2 可知，3#煤层开采之后，工作面的侧向支承压力呈现出“倒漏斗”形式分布，工作面下部支承压力相比上部分布较为均匀，此外下部平均支承压力较大。此外，3#煤层工作面开采对4#煤层的影响范围高达到40 m 左右，3316 运输顺槽内错和重叠布置情况下，巷道处于低压区，从巷道应力条件来讲，重叠和内错布置有利于巷道稳定控制。

由图3 可知，3#煤层工作面上部和下部煤层开采后，工作面地板分布较高的一定范围的拉应力，这就导致煤层顶板岩层产生拉伸和剪切破坏，而底板产生拉伸和剪切破坏。同时，工作面开采之后，底板产生拉伸破坏形态呈现“M”型漏斗状，靠近工作面的端部和中部位置产生更大的拉伸破坏，并且底板的破坏深度已经超过4#煤层位置以及作面端部和中部对底板的破坏深度已经超过5#煤层位置，对4#煤层和5#煤层产生一定的破坏。

通过模拟可以看出，3316 运输顺槽处于低应力条件环境，但是3#煤层开采对底板影响范围较大，而且巷道围岩处于该范围之内，因此巷道围压整体稳定性较差。对于3316 运输顺槽稳定控制来讲，应选择合理的支护方式，更应侧重“护”的重要性，围岩补强提高围岩结构完整性是合理支护方案选择的重中之重。

2.3 3316 运输顺槽稳定性条件理论分析

基于以上数值模拟分析分析，对3316 运输顺槽稳定控制方面有以下设计结论：3316 运输顺槽外段内错10 m、里段基本以重叠方式布置在3312 工作面采空区之下，巷道处于低应力区，避开了实体煤柱高集中应力的影响；通过理论计算和数值模拟可以看出，3316 运顺顺槽处于3312 采动底板破坏范围之内，围岩结构整体性受到一定程度的损伤破坏；基于3316运输顺槽围岩条件和应力水平，采用锚杆+W 钢带（或钢筋梯）+钢筋网加固围岩的复合支护是实现巷道稳定控制的支护方式。运输顺槽支护结构图如图4所示。

图4 运输顺槽支护结构图（未标单位：mm）

3 结论

极近距离采空区下锚网支护是一种较为特殊的支护方式，其顶板管理更为困难，在现场巷道掘进生产中采取针对性的措施，加强对工程质量的控制和考核，有助于此项技术设计的更好实行，实验模拟和科学计算是开展此项设计的关键所在。此项科研方案在贺西矿三采区3316 运输顺槽已经实施完毕，巷道已投入使用，其巷道各功能满足生产运输需要，为矿井可持续开采提供更有利的保障。