張　虎

(西山煤電股份有限公司 西曲礦，山西　古交　030200)

極近距離煤層是指上下兩層可采煤層的層間距很近，且上煤層開采時(shí)會(huì)對(duì)下煤層巷道產(chǎn)生顯著影響的煤層。由于煤層間距極小，下煤層的頂板即為上煤層的底板，上層煤開采過程中，勢(shì)必會(huì)造成圍巖破壞，導(dǎo)致下煤層頂板損傷破壞；且上煤層所留煤柱易發(fā)生應(yīng)力集中，該應(yīng)力向下煤層轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致下煤層巷道變形劇烈增加，極大地影響了井下的安全生產(chǎn)。因此，如何確定極近距離煤層回采巷道的位置，以及合理的支護(hù)技術(shù)是目前極近距離煤層開采的難點(diǎn)。

朱潤(rùn)生[1]提出極近距離煤層下煤層回采巷道采用內(nèi)錯(cuò)式布置，確定了不同層間距下煤層回采巷道的支護(hù)參數(shù)。于洋等[2]通過數(shù)值計(jì)算及對(duì)底板應(yīng)力分布規(guī)律和下位煤層巷道變形破壞特征進(jìn)行分析，確定了下位巷道頂板控制原則，并提出了基于水力膨脹錨桿全長(zhǎng)錨固和頂板超前插管法的三維聯(lián)合控頂技術(shù)。郭放等[3]采用FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)合工程實(shí)踐的方法，研究了綜采工作面在上覆已采煤層留設(shè)煤柱和采空區(qū)下開采時(shí)的應(yīng)力分布規(guī)律。劉春波[4]運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬方法研究了近距離煤層不同開采條件下形成的采動(dòng)應(yīng)力分布特征，重點(diǎn)分析了近距離煤層上煤層先采后下煤層工作面回采巷道的合理布置方式。畢業(yè)武[5]采用理論分析與現(xiàn)場(chǎng)勘探相結(jié)合的方法，分析了深井近距離煤層群動(dòng)壓開采條件下回采巷道變形失穩(wěn)原因。

本文通過理論計(jì)算和數(shù)值模擬的方法，對(duì)申南凹煤業(yè)1、2號(hào)極近距離煤層回采巷道的布置提出合理方案，并提出了相匹配的支護(hù)設(shè)計(jì)。

1　工作面地質(zhì)狀況

山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)申南凹焦煤有限公司位于臨汾市鄉(xiāng)寧縣，建設(shè)規(guī)模為1.01 Mt/a. 礦井現(xiàn)開采1、2號(hào)煤，兩層煤屬極近距離煤層。1號(hào)煤層平均厚度1.04 m，頂板為泥巖、局部為細(xì)砂巖，底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖，局部為細(xì)砂巖。2號(hào)煤層平均厚度3.84 m，頂板巖性為泥巖、細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖，底板巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖，局部為砂質(zhì)泥巖，上距1號(hào)煤層5.28 m. 巷道埋深500 m左右，煤層皆為近水平煤層。

2　理論分析回采巷道位置

2.1　下煤層巷道布置方式

下煤層回采巷道布置有3種形式，分別為重疊式布置、內(nèi)錯(cuò)式布置和外錯(cuò)式布置。

重疊式布置的優(yōu)點(diǎn)在于可以使上下煤層之間區(qū)段煤柱一致，煤損較少、采出率較高，但給下煤層回采巷道施工帶來(lái)困難，巷道維護(hù)工作量大。

內(nèi)錯(cuò)式布置雖然導(dǎo)致區(qū)段煤柱寬度加大，但是下煤層回采巷道在殘留區(qū)段煤柱邊緣形成的應(yīng)力降低區(qū)下掘進(jìn)，可提高巷道掘進(jìn)速度，保證回采工作面的正常接替。

外錯(cuò)式布置優(yōu)點(diǎn)在于使煤柱寬度減小，下層工作面長(zhǎng)度加大，可提高煤炭的采出率； 但下煤層回采巷道位于上煤層區(qū)段煤柱應(yīng)力增高區(qū)下，巷道掘進(jìn)維護(hù)困難。

基于以上原因，下煤層回采巷道布置方式采用內(nèi)錯(cuò)式布置。

2.2　理論計(jì)算巷道錯(cuò)距

當(dāng)下煤層回采巷道布置方式采用內(nèi)錯(cuò)式布置時(shí)，巷道的合理錯(cuò)距主要依據(jù)于上煤層煤柱應(yīng)力集中產(chǎn)生的支承壓力峰值區(qū)至煤柱邊緣的距離。為了減弱上煤層對(duì)下煤層的影響，便于下煤層巷道維護(hù)，下煤層回采巷道必須布置在支承壓力影響范圍之外，才能避開上煤層區(qū)段煤柱支承壓力的影響。

根據(jù)礦山壓力在底板中的傳遞規(guī)律，可得出上煤層區(qū)段煤柱邊界與下煤層回采巷道的水平間距Ln為：

Ln≥(h1+h2)tanφ

(1)

式中：

h1—下煤層頂板巖層厚度，m；

h2—下煤層巷道高度，m；

φ—應(yīng)力傳播影響角，(°).

由式(1)可理論計(jì)算得出，極近距離煤層回采巷道內(nèi)錯(cuò)式布置合理錯(cuò)距為大于4.88 m.

3　數(shù)值模型的建立

本次模擬采用FLAC3D5.00對(duì)申南凹煤業(yè)極近距離煤層回采巷道的布置進(jìn)行數(shù)值模擬研究，由實(shí)地取樣進(jìn)行巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)得出參數(shù)，見表1.

計(jì)算中采用Mohr-Coulomb材料模型，建立尺寸為100 m×120 m×60 m的模型，共建立網(wǎng)格的數(shù)量為219 480個(gè)。模型巖層劃分地質(zhì)柱狀圖，假設(shè)各巖層為均質(zhì)、各向同性材料。模型底部固支，側(cè)面設(shè)置水平位移，上部利用應(yīng)力邊界來(lái)模擬上覆巖層載荷。

1號(hào)煤層巷道斷面形狀設(shè)計(jì)為矩形，凈寬為4.2 m，凈高2.8 m，斷面面積為11.76 m2；2號(hào)煤層巷道斷面為矩形，設(shè)計(jì)巷寬4.5 m，巷高3.5 m，斷面面積15.75 m2, 均采用錨網(wǎng)索支護(hù)。

模擬時(shí)，兩回采巷道僅進(jìn)行了簡(jiǎn)單的支護(hù)，本次模擬設(shè)計(jì)了錯(cuò)距3 m、5 m、7 m和9 m四種不同方案進(jìn)行模擬，分別從圍巖的塑性破壞、應(yīng)力變化和圍巖變形進(jìn)行分析。

表1　煤層頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)匯總表

4　數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過4種方案的數(shù)值模擬，以平行于工作面煤壁的平面為切面，對(duì)模型進(jìn)行切片處理，得出一組垂直應(yīng)力云圖和塑性破壞區(qū)圖，見圖1，2.

4.1　不同錯(cuò)距圍巖應(yīng)力變化分析

由圖1看出，錯(cuò)距3 m時(shí)，上下順槽間煤柱未發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，說(shuō)明此時(shí)煤柱完全破壞，已經(jīng)沒有支撐能力；錯(cuò)距為5 m時(shí)，上下順槽間煤柱強(qiáng)度增加，巷道兩幫可以看出較為明顯的應(yīng)力集中區(qū)，說(shuō)明此時(shí)兩順槽之間的影響在減弱；錯(cuò)距為7 m時(shí)，上下順槽間煤柱強(qiáng)度進(jìn)一步增加，巷道兩幫出現(xiàn)非常明顯的應(yīng)力集中區(qū)，說(shuō)明此時(shí)兩順槽間的影響進(jìn)一步減弱，上煤層的開采對(duì)下煤層巷道的影響已經(jīng)很微弱；錯(cuò)距為9 m時(shí)，煤柱應(yīng)力和巷道兩幫應(yīng)力集中情況和錯(cuò)距7 m時(shí)相差不大。因此，將巷道錯(cuò)距確定為7 m較為合理。

圖1　不同錯(cuò)距下垂直應(yīng)力云圖

4.2　不同錯(cuò)距塑性破壞變化分析

不同錯(cuò)距下，上煤層工作面推進(jìn)100 m后，上下煤層巷道的圍巖塑性破壞云圖見圖2.由圖2可知，錯(cuò)距3 m時(shí)，上下巷道圍巖塑形破壞區(qū)連在了一起，且下煤層巷道圍巖破壞嚴(yán)重，說(shuō)明此時(shí)上煤層工作面的開采對(duì)下煤層巷道的影響很大；錯(cuò)距為5 m時(shí)，上下巷道圍巖塑性破壞區(qū)并未連在一起，但下煤層巷道圍巖破壞較為嚴(yán)重，說(shuō)明此時(shí)上煤層工作面的開采對(duì)下煤層巷道的影響減弱了，但仍然較大；錯(cuò)距為7 m時(shí)，上下巷道圍巖塑性破壞區(qū)完全分開，下煤層巷道圍巖破壞較小且趨于穩(wěn)定，說(shuō)明此時(shí)上煤層工作面的開采對(duì)下煤層巷道的影響很??；錯(cuò)距為9 m時(shí)，上下巷道圍巖塑性破壞區(qū)與錯(cuò)距7 m的情況相近。故巷道錯(cuò)距確定為7 m較為適宜。

圖2　不同錯(cuò)距下塑性破壞云圖

4.3　不同錯(cuò)距圍巖變形分析

不同錯(cuò)距下，上煤層工作面推進(jìn)100 m后，下煤層巷道的圍巖變形量見表2.由表2可以看出，錯(cuò)距為3 m和5 m時(shí)，下煤層巷道的圍巖變形量都相較錯(cuò)距為7 m時(shí)大，圍巖變形較為嚴(yán)重；錯(cuò)距為9 m時(shí)，下煤層巷道圍巖變形量與錯(cuò)距7 m時(shí)相近，圍巖變形較小，且趨于穩(wěn)定。所以，分析可知錯(cuò)距7 m較為合適。

綜上所述，針對(duì)不同錯(cuò)距進(jìn)行4種方案的模擬，從巷道圍巖的應(yīng)力變化、塑性破壞區(qū)域和圍巖變形方面進(jìn)行分析，最終確定該礦極近距離煤層回采巷道合理的布置錯(cuò)距為7 m.

表2　2#煤回采巷道圍巖變形表　mm

5　回采巷道合理的支護(hù)設(shè)計(jì)

為保證申南凹煤礦1、2煤層的安全生產(chǎn)，提出了2號(hào)煤回采巷道的支護(hù)方案:

錨桿均采用d24 mm×2 500 mm螺紋鋼錨桿，外露長(zhǎng)度為10～40 mm，間排距為800 mm×800 mm，每排布置16根；樹脂錨固劑采用CK2340型和K2360型各一卷；錨桿托盤采用150 mm×150 mm×10 mm碟形托板；幫錨桿抗拔力設(shè)計(jì)為150 kN，頂錨桿抗拔力設(shè)計(jì)為150 kN，扭矩力設(shè)計(jì)為100 N·m.金屬網(wǎng)采用900 mm×2 000 mm×d6.0 mm，網(wǎng)片連接方式為：每200 mm遠(yuǎn)一扣采用16#鐵絲連成一體。錨索采用d21.6 mm×8 000 mm鋼絞線，每排使用4根，間排距為1 300 mm×1 600 mm；托盤采用300 mm×300 mm×20 mm碟型托板，樹脂錨固劑采用CK2360型一卷和K2360型兩卷，外露長(zhǎng)度為150～250 mm，抗拔力設(shè)計(jì)為200 kN；幫錨索采用d15.24 mm×5 300 mm鋼絞線，距底1 750 mm，排距3 200 mm，兩幫各打一根，每根錨索增加球形鎖具。當(dāng)井下巷道煤巖層有變化時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，具體支護(hù)布置圖見圖3.

6　結(jié)　論

1) 通過理論分析及計(jì)算確定下煤層巷道合理布置方式為內(nèi)錯(cuò)式，合理錯(cuò)距為大于4.88 m.

2) 通過數(shù)值模擬的方法，分別對(duì)圍巖應(yīng)力變化、塑性破壞區(qū)以及圍巖變形量分析，得出下煤層巷道合理布置錯(cuò)距為7 m.

3) 針對(duì)該礦下煤層回采巷道采用錯(cuò)距7 m的外錯(cuò)式布置情況，提出了適合于申南凹煤礦2號(hào)煤層巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)。

[1]朱潤(rùn)生. 極近距離煤層回采巷道合理位置確定與支護(hù)技術(shù)[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù),2012,40(04):10-13+17.

[2]于洋,神文龍,高杰. 極近距離煤層下位巷道變形機(jī)理及控制[J]. 采礦與安全工程學(xué)報(bào),2016,33(01):49-55.

[3]郭放,高保彬,牛國(guó)慶,等. 近距離煤層煤柱及采空區(qū)下綜采工作面礦壓規(guī)律研究[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù),2017,45(05):92-97+169.

[4]劉春波. 馬蘭礦近距離煤層開采圍巖采動(dòng)應(yīng)力分布特征分析[J]. 煤炭工程,2017,49(07):68-71.

[5]畢業(yè)武,范秀利,蒲文龍,等. 深井近距離煤層群回采巷道失穩(wěn)致因與控制技術(shù)[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù),2015,43(10):51-55.