摘 要：對(duì)爐峪口煤礦近距離8#、9#煤層采用下行式開采時(shí)，通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬等手段著重分析位于上部8#煤層采空區(qū)下方不同位置處的9#煤層巷道應(yīng)力、塑性分布及位移變化等情況，從而為在下行式開采時(shí)對(duì)下部巷道的布置方法及支護(hù)方案的探究提供理論基礎(chǔ)，也為本礦9#煤層中的巷道參數(shù)及支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考和指導(dǎo)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：煤層群；采空區(qū)；數(shù)值模擬；礦壓觀測(cè)

中圖分類號(hào)：TD353 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.11.072

太原煤氣化股份有限公司爐峪口煤礦位于太原市古交梭峪鄉(xiāng)爐峪口村，2005年起，礦井每年的核定生產(chǎn)能力為8.5×105 t。該礦主要開采太原組上組2#、3#、4#煤和下組8#、9#煤，目前上組煤已開采完畢，下組8#煤也即將開采完畢。為保證礦井的正常銜接，從2012年開始開采下組9#煤層。根據(jù)地質(zhì)資料，本礦一采區(qū)下組8#、9#煤層平均層間距為7.5 m，上部8#煤層中采空區(qū)附近的應(yīng)力分布對(duì)下部9#煤層中布置巷道的穩(wěn)定性影響較大，為此，需要對(duì)本采區(qū)近距離煤層采場(chǎng)及巷道圍巖應(yīng)力的重新分布進(jìn)行分析研究，以便為我礦9#煤層巷道的布置及圍巖控制方式等的確定提供科學(xué)依據(jù)。

1 近距離煤層下行式聯(lián)合開采研究

1.1 近距離煤層下行式開采特點(diǎn)

煤礦安全規(guī)程規(guī)定，近距離煤層是指煤層層間距較小、開采時(shí)相互影響較大的煤層。對(duì)于近距離煤層的聯(lián)合開采，無(wú)論是采用何種開采方式，其目的都是以開采第一層煤后不影響第二層煤及其頂?shù)装宓耐暾院瓦B續(xù)性，不影響其正常開采為基準(zhǔn)而研究和制定的。因此，研究近距離煤層的聯(lián)合開采，實(shí)則是研究煤層群聯(lián)合開采時(shí)回采工作面、回采巷道圍巖的礦壓顯現(xiàn)特征以及對(duì)應(yīng)的支護(hù)方式和參數(shù)。

1.2 采空區(qū)下部巷道布置方式及其優(yōu)缺點(diǎn)

近距離煤層聯(lián)合開采時(shí)，根據(jù)下部煤層與上部煤層的時(shí)空關(guān)系，下部煤層回采巷道一般分為三種布置方式，分別是內(nèi)錯(cuò)式布置、外錯(cuò)式布置和重疊式布置。通常人們認(rèn)為采空區(qū)下方為減壓區(qū)，圍巖應(yīng)力小于原巖應(yīng)力，而煤柱下方為增壓區(qū)，為保證巷道的穩(wěn)定和安全性，下層煤巷道應(yīng)盡量采用內(nèi)錯(cuò)式布置，使其位于減壓區(qū)范圍內(nèi)。

內(nèi)錯(cuò)式布置可以保證下層巷道布置在上層煤開采后形成的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，巷道支護(hù)較容易，相關(guān)的工程應(yīng)用較多。但如果與上部采空區(qū)距離過(guò)近，上煤層底板破壞范圍就會(huì)擴(kuò)展至下部巷道層位中，也會(huì)導(dǎo)致內(nèi)錯(cuò)式布置巷道支護(hù)困難，如果錨桿、錨索剛好錨固在上部采空區(qū)范圍內(nèi)，就會(huì)導(dǎo)致巷道支護(hù)失效，穩(wěn)定性變差。

2 采空區(qū)下應(yīng)力分布模擬分析

2.1 模型建立

空后，其圍巖應(yīng)力分布及變化規(guī)律對(duì)下層9#煤層的影響，本文采用FLAC3D軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

FLAC3D采用有限元差分法時(shí)步迭代的方法進(jìn)行計(jì)算，因此在每個(gè)循環(huán)計(jì)算中，通過(guò)對(duì)各單元節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力平衡計(jì)算，可求出各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力及位移狀況。所以通過(guò)循環(huán)開挖模擬的最終結(jié)果，可以得到在現(xiàn)有8#煤采空區(qū)上部巖層穩(wěn)定的條件，下采空區(qū)周圍應(yīng)力分布狀況及9#煤層中應(yīng)力分布狀況和規(guī)律。

2.2 采空區(qū)下應(yīng)力分布特征分析

圖1 上部8#煤層開采結(jié)束后9#煤層中應(yīng)力分布曲線圖

從圖1中可以看出，下部9#煤層中的三種應(yīng)力在距上部8#煤層采空區(qū)邊緣向煤柱側(cè)20 m、采空區(qū)側(cè)5 m，總計(jì)25 m范圍內(nèi)變化幅度最大，為應(yīng)力升高區(qū)。該區(qū)域內(nèi)巷道支護(hù)困難，遠(yuǎn)離這個(gè)范圍，則應(yīng)力逐漸降低恢復(fù)到原巖應(yīng)力水平，這也與理論計(jì)算及現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)基本相符。

3 工作面順槽穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

3.1 順槽支護(hù)設(shè)計(jì)說(shuō)明

對(duì)爐峪口煤礦9#煤層回采工作面順槽支護(hù)方案按照初步設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)定：斷面形式為矩形。掘進(jìn)斷面為：寬×高=4 000 mm×2 700 mm。支護(hù)形式為錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，頂板錨桿為φ20×2 200 mm左旋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為750 mm×750 mm，每根錨桿配CK2360和Z2360樹脂藥卷各一卷；兩幫錨桿采用φ18×1 800 mm圓鋼麻花錨桿，錨桿間排距為800 mm×750 mm，每根錨桿配CK2360樹脂藥卷一卷；頂幫鋪設(shè)網(wǎng)片規(guī)格為1 000 mm×2 000 mm，網(wǎng)格100 mm×100 mm，搭接100 mm；錨索使用φ21.6×8 000 mm，1×19結(jié)構(gòu)鋼絞線錨索，托盤規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm鋼板，錨索間排距為1 000 mm×1 500 mm，每根錨索使用一卷CK2360和三卷Z2360樹脂錨固劑。

3.2 對(duì)采空區(qū)下方各位置處情況的分析

3.2.1 順槽圍巖應(yīng)力分布模擬情況

在以上FLAC3D數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上設(shè)定巷道，可得到相對(duì)于8#煤層采空區(qū)下部不同位置處的9#煤層工作面順槽圍巖應(yīng)力，應(yīng)力分布云圖如圖2、圖3和圖4所示。

圖2 8#煤層采空區(qū)下方不同位置處順槽圍巖垂直應(yīng)力分布云圖

圖3 8#煤層采空區(qū)下方不同位置處順槽圍巖水平應(yīng)力分布云圖

由圖2、圖3和圖4可知，當(dāng)順槽位于上部回采工作面采空區(qū)邊緣煤柱下部應(yīng)力升高區(qū)時(shí)，巷道圍巖中的應(yīng)力集中程度

最大，導(dǎo)致位于該位置回采順槽的圍巖穩(wěn)定性最難控制，需在現(xiàn)有方案基礎(chǔ)上加強(qiáng)支護(hù)，而位于采空區(qū)和實(shí)體煤下方的巷道垂直應(yīng)力集中系數(shù)較小，現(xiàn)有支護(hù)方案穩(wěn)定有效。

3.2.2 順槽塑性區(qū)分布模擬情況

上部8#煤層采空區(qū)下不同位置處順槽圍巖塑性區(qū)分布如圖5所示。

圖4 8#煤層采空區(qū)下方不同位置處順槽圍巖剪切應(yīng)力分布云圖

圖5 上部8#煤層采空區(qū)下不同位置處順槽圍巖塑性區(qū)分布云圖

由圖5可知，處于上部煤層回采工作面采空區(qū)邊緣煤柱下方應(yīng)力升高區(qū)中的回采順槽圍巖中的塑性區(qū)分布范圍較大，超出了現(xiàn)有錨桿索支護(hù)體系的控制范圍，巷道圍巖較為不穩(wěn)定，主動(dòng)支護(hù)效果較差，在此基礎(chǔ)上仍需要加強(qiáng)支護(hù)；位于采空區(qū)下方與實(shí)體煤下方的回采順槽圍巖塑性區(qū)分布范圍較小，未超出錨桿索主動(dòng)支護(hù)范圍，支護(hù)效果較好。

4 結(jié)論

依據(jù)爐峪口煤礦8#、9#煤層頂?shù)装鍑鷰r地質(zhì)力學(xué)條件，運(yùn)用FLAC3D對(duì)8#煤層采區(qū)區(qū)下不同位置處的巷道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)受上部8#煤采空區(qū)的影響，下部9#煤層所在地層中有明顯的應(yīng)力升高區(qū)和降低區(qū)，上部8#煤采空區(qū)邊緣煤柱下方為9#煤層中的應(yīng)力升高區(qū)，尤其是8#煤采空區(qū)煤壁往煤柱側(cè)5 m、往采空區(qū)側(cè)20 m，共計(jì)25 m范圍內(nèi)為最大。

在巷道設(shè)計(jì)過(guò)程中，9#煤層巷道如果布置在8#煤層采空區(qū)煤柱邊緣下方，則難以支護(hù)，應(yīng)該盡量避開8#煤層煤柱，如果必須要通過(guò)上部8#煤層采空區(qū)邊緣煤柱時(shí)，則必須對(duì)煤柱下方巷道加強(qiáng)支護(hù)。

如果9#煤層巷道必須布置在8#煤層采空區(qū)邊緣煤柱下方時(shí)，則該巷道圍巖應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，巷道圍巖表面位移大，塑性區(qū)分布范圍大，應(yīng)改進(jìn)巷道支護(hù)方案，增加錨桿長(zhǎng)度，增設(shè)錨索數(shù)量并減少錨索間排距。

參考文獻(xiàn)

[1]武春陽(yáng).極近距離煤層巷道布置與支護(hù)研究[J].赤子，2014（3）：235.

[2]宋杰.極近距離煤層回采巷道布置方式的研究[J].山西煤炭，2014（2）：28-30.

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作者簡(jiǎn)介：劉偉強(qiáng)（1984—），男，山西太原人，大學(xué)本科，助理工程師，主要從事煤炭開采技術(shù)與管理方面的工作。

〔編輯：王霞〕