徐灝杰

【摘 要】 為解決近距離煤層采空區(qū)巷道圍巖控制困難、變形嚴(yán)重的問題，本文以山西某礦地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，對采空區(qū)下巷道圍巖控制技術(shù)進(jìn)行了研究。文章采用數(shù)值模擬方法對上層煤底板應(yīng)力分布特征進(jìn)行了分析，確定底板高應(yīng)力區(qū)域主要在煤柱中線附近，基于此結(jié)果將下層煤巷道布置在煤柱邊緣位置，并對巷道支護(hù)方案與補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案進(jìn)行了設(shè)計。研究結(jié)果可提高巷道穩(wěn)定性，對于礦井的安全生產(chǎn)具有重大意義。

【關(guān)鍵詞】 近距離煤層;采空區(qū);應(yīng)力特征;圍巖控制

【中圖分類號】 TD823 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2019）03-0017-03 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

近距離煤層群在煤炭資源中占有很大的比例，隨著資源的逐漸減少，許多煤礦開始重視近距離煤層的開采，但在開采過程中，劇烈礦壓顯現(xiàn)、圍巖變形嚴(yán)重等問題，制約著礦井的安全生產(chǎn)。一般開采近距離煤層群時，先對上層煤進(jìn)行開采，然后在下層煤布置回采工作面，上層煤由于殘余有大量煤柱，在煤柱周圍存在著高應(yīng)力環(huán)境，對下層煤巷道的穩(wěn)定產(chǎn)生較大影響。許多研究人員提出將下層煤回采巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)。但在實際生產(chǎn)實踐中，巷道受回采影響仍出現(xiàn)大量的變形。因此針對具體條件下巷道布置方式與圍巖控制措施的研究十分必要。本文以山西某礦地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，對近距離煤層采空區(qū)下工作面巷道圍巖控制措施進(jìn)行了研究，從而提高巷道的穩(wěn)定性。

1礦井概況

山西某礦開采煤層為4、5號煤層，煤層的厚度分別為5m、4m，兩層煤均為近水平煤層。5號煤的埋藏深度平均為230m，與4號煤間距為4～7m，各煤層頂?shù)装鍡l件如圖1所示。由于5號煤層5101工作面布置時與上覆4號煤層4203工作面采空區(qū)重合，并且巷道均處于上覆煤柱下方，因此巷道圍巖所處的力學(xué)條件較為復(fù)雜。上、下層煤位置關(guān)系如圖2所示。

2工作面長度與頂板載荷分析

為分析上層4號煤層開采結(jié)束后在煤柱周圍底板的應(yīng)力分布規(guī)律，以各煤層地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，建立數(shù)值模型。模型中，4號煤層模擬厚度為5m，5號煤層模擬厚度為4m，煤層間距按最小的4m進(jìn)行計算，由于兩煤層傾斜角度均較小，因此在模擬中不加入煤層傾斜因素的影響。圖3為煤柱下方底板應(yīng)力的等值線圖。

從圖3（a）中可以看出，上層煤開采后，垂直應(yīng)力均在煤柱內(nèi)部兩側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力峰值達(dá)到17MPa，與煤柱邊界距離約為4.5m。在煤柱下方，深度越大，該位置的垂直應(yīng)力越小;在采空區(qū)下方，垂直應(yīng)力隨著底板深度的增大不斷增大，而在底板相同深度的層位時，垂直應(yīng)力的峰值位于煤柱的中部下方區(qū)域，與中部的距離越大，應(yīng)力越小。

從圖3（b）中可以看出，上層煤開采后，水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的分布特征有一定的差異，水平應(yīng)力的峰值并沒有出現(xiàn)在煤柱的內(nèi)部，而是處于靠近煤柱的底板巖層中。水平應(yīng)力大小同樣隨著底板深度的增大而不斷減小，在同一層位水平應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在煤柱中心線，與中心線距離越大，水平應(yīng)力越小。

根據(jù)對煤柱下方底板的應(yīng)力分析結(jié)果，若下層煤巷道處于上層煤柱的正下方位置，巷道將會受到高應(yīng)力環(huán)境的影響，不利于對巷道圍巖的控制，而從上圖中可以發(fā)現(xiàn)在煤柱的邊界處是底板應(yīng)力由大變小的分界點(diǎn)，因此基于數(shù)值模擬分析結(jié)果，將下層煤巷道布置在煤柱邊界靠近上層煤采空區(qū)處。

3采空區(qū)下巷道圍巖控制措施

3.1圍巖控制原則

（1）由于巷道上方為上層煤采空區(qū)冒落巖塊，并且頂板巖層受到采動影響完整性較差，因此頂板巖層的下沉與破壞會比較嚴(yán)重，巷道在支護(hù)過程中需加大對頂板的控制。

（2）圖4為下層煤巷道掘進(jìn)后兩幫內(nèi)部應(yīng)力分布曲線圖，從圖中可以看出，巷道兩側(cè)處于不同的應(yīng)力壞境中，靠近煤柱一側(cè)巷道內(nèi)圍巖壓力要比采空區(qū)下一側(cè)大，因此巷道兩側(cè)的變形具有一定的不對稱性，容易在巷道頂角產(chǎn)生塑性破壞，巷道支護(hù)方式應(yīng)加強(qiáng)對頂角的支護(hù)。

3.2巷道支護(hù)方案

5101工作面回采巷道采用相同巷道設(shè)計，巷道的斷面形狀均為矩形，寬度為3.4m，高度為2.6m，以回風(fēng)巷道為基礎(chǔ)，設(shè)計巷道支護(hù)方案如下：

（1）頂板支護(hù)：頂板錨桿的長度為2.4m，直徑為20mm，相鄰兩根錨桿的距離設(shè)計為750mm，相鄰兩排錨桿的距離設(shè)計為800mm。錨索的設(shè)計長度為4.5m，直徑為17.8mm，相鄰兩根錨索的距離為1500mm，相鄰兩排錨索的距離為1600mm，靠近兩幫的錨桿與豎直方向的夾角為15°。金屬網(wǎng)形狀為菱形，網(wǎng)格大小為100mm，網(wǎng)片寬度為3600mm，長度為900mm，安裝時搭接長度為100mm。

（2）巷幫支護(hù)：兩幫錨桿參數(shù)與頂板參數(shù)相同，錨桿的支護(hù)密度進(jìn)行改變，相鄰兩根錨桿的距離為700mm，相鄰兩排錨桿的距離為800mm，接近頂?shù)装宓腻^桿與水平夾角為20°。金屬網(wǎng)形狀為菱形，網(wǎng)格大小為100mm，網(wǎng)片的寬度為2700mm，長度為900mm，安裝時搭接長度為100mm。巷道支護(hù)斷面如圖4所示。

3.3補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案

4號煤與5號煤層之間的距離為4～7m，當(dāng)兩層煤之間的距離大于5m時，錨索可以打入頂板中，若兩層煤之間的距離小于5m，無法在頂板打錨索支護(hù)，因此需要采取其他補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案。

（1）當(dāng)層間距為4～5m時，在巷道內(nèi)安設(shè)單體支柱對頂板進(jìn)行支撐，從而減輕頂板下沉在兩端角的剪切力，單體支柱間、排距均設(shè)計為1m。

（2）由于層間距的減小，原錨索長度無法打入頂板中，因此需對錨索長度進(jìn)行縮減，錨索長度變?yōu)?m，確保錨索能夠穩(wěn)定在頂板完整巖層中。

（3）由于巷道兩幫處于不同的應(yīng)力環(huán)境中，在煤柱側(cè)巷幫承受應(yīng)力較高，煤體易出現(xiàn)破壞，因此需對煤柱側(cè)幫進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，在相鄰兩排錨桿的中間增加兩根錨索，錨索之間的距離為1400mm，垂直于巷道側(cè)幫。

3.4支護(hù)效果分析

確定支護(hù)方案后，在5101工作面現(xiàn)場進(jìn)行了實踐，并記錄了巷道圍巖的變形情況，如圖5所示。

從圖中可以看出，在工作面推進(jìn)的過程中，隨著工作面與測站之間的距離減小，巷道表面圍巖出現(xiàn)的變形情況在加劇，當(dāng)工作面推進(jìn)到測站時，圍巖變形量達(dá)到最大，此時頂?shù)装宓淖冃瘟繛?40mm，兩幫的變形量為480mm。巷道圍巖的變形主要表現(xiàn)為兩幫變形，但變形量均在可控制范圍內(nèi)，表明該支護(hù)方案具有著較好的效果。

4結(jié)論

（1）采用數(shù)值模擬方法分析了上層煤開采后底板巖層內(nèi)部的應(yīng)力分布情況，隨著底板深度的增大，巖層應(yīng)力水平逐漸減小，同一層位應(yīng)力的最大值位于煤柱中線，與煤柱中線距離越大，應(yīng)力越小，因此將下層煤巷道布置在煤柱邊緣地區(qū)。

（2）基于數(shù)值模擬分析結(jié)果，設(shè)計了5101工作面回采巷道支護(hù)方案與補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案，主要通過加單體支柱、調(diào)整錨索長度以及在巷道煤柱幫側(cè)打錨桿等措施對巷道進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

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