近距离煤层下位工作面巷道支护优化设计

黄 林

（山西寿阳潞阳长榆河煤业有限公司， 山西 晋中 045414）

引言

长榆河煤矿现开采6～15 号下煤层，井田面积6.562 4 km2，矿井年产量90 万t，采用下行开采。目前15 号煤东翼采区资源接近枯竭，急需规划开采东翼采区15 号下煤资源。由于15 号煤与15 号下煤层的层间距在0.5～10.6 m，平均4.34 m，属近距离煤层开采。在近距离煤层开采时，下部煤层会呈现一些新的矿山压力特点。现有的近距离煤层开采的成果都是针对煤层间距相对较大的情况，而对于这种间距特别小的并不能完全适用[1-3]。因此，深入、系统地研究长榆河煤矿近距离煤层开采的围岩控制理论和相关技术是实现长榆河煤矿15 号下煤层安全、高效开采的首要前提。

1 遗留煤柱及其底板岩层应力分布数值模拟分析

受上覆遗留煤柱在底板岩层中传递支承应力的影响，下煤层回采巷道会发生不同程度的失稳破坏，突出表现为下煤层工作面回采巷道顶板大面积破碎并形成“网兜”状下沉、两帮移近量较大[4-6]。根据煤层的开采实际情况，采用FLAC3D 建模[7-10]，几何模型如图1 所示。模型在垂直方向高度为125 m，水平方向上长度为600 m，15 号煤层厚度为2.62 m，15 号下煤层厚度2.65 m，两煤层间距为5 m。

图1 计算模型示意图

在15 号煤层开采时会留有煤柱，煤柱在受到上覆岩层压力时会产生应力集中问题。这里的煤柱宽度为25 m。图2 给出了回采完成后上覆岩层的垂直应力分布和水平应力分布云图。

图2 15 号煤层及底板岩层应力分布图

由图2 可以发现，在15105 工作面回采后，遗留煤柱在采空区上覆岩层的作用下，产生了较为明显的应力集中现象。与此同时，还可以发现，煤柱承受的载荷还向底板传递，而在采空区以下的底板处于卸压状态。

2 下煤层巷道合理布置位置及围岩控制

2.1 下煤层巷道合理位置分析

由以上数值模拟可知，15 号下煤层开采时，会受到15 号非常开采时遗留煤柱的应力传递的影响。这在一定程度上影响15 号下煤层开采时两巷的稳定性。因此，为了保证巷道的稳定性实现安全开采，必须要使巷道的变形处于安全范围以内，这就要求合理地选择回采巷道的位置。

根据长榆河煤矿地质条件及下部煤层回采巷道布置原则，15 号下煤层回采时两巷应该布置在遗留煤柱形成的应力升高区范围以外。为了确定这个最佳的距离，对巷道和遗留煤柱之前的距离进行模拟，分析不同距离条件下巷道的变形情况，从而确定最佳的巷道位置。

2.2 下煤层回采巷道合理位置的确定

为确定15 号煤下102 工作面回采巷道与遗留煤柱的合理错距，现提出以下5 种布置方案。每种方案的区别在于巷道与上覆遗留煤柱的水平距离不同。方案一到方案五与煤柱的水平距离分别为5 m、10 m、15 m、20 m 以及25 m。采用FLAC3D 在本文建立的模型基础上开挖巷道进行模拟，其中巷道的尺寸为4.1m×3.0m。不同错距位置巷道围岩的塑性区分布如图3 所示。

图3 巷道不同布置方案围岩塑性分布

由图3 塑性分布可以发现，随着巷道与遗留煤柱的水平距离增加，巷道的塑性区范围呈现减小的趋势。例如，方案一的两帮塑性区域范围为2.5~3 m，而方案五的两帮塑性区范围为1.5 m 以内。塑性区的范围越小，说明巷道承受的应力越小，巷道的稳定性也就越好。通常情况下，塑性区的深度在1.5 m 以下比较合适。因此，方案四和方案五可以作为巷道布置的最佳选择。也就是说，回采巷道与遗留煤柱的最小水平距离为20 m。

为了更详细地对比巷道的变形破坏情况，对巷道的变形情况进行统计分析。取巷道顶底板移近量和两帮中心点位移变化作为分析量。图4 给出了两种统计量随着回采巷道与遗留煤柱的距离变化而变化的趋势。

由图4 可以发现，随着与煤柱边缘错距的增加，巷道顶底板移近量和两帮移近量都呈现减小的趋势。在方案一时，两种方案的巷道顶底板移近量和两帮移近量分别为207 mm、235 mm。而在方案四和方案五时，二者分别为65 mm、86 mm，与方案一相比减小了31.4%、63.4%。此外，还可以发现，在方案四和方案五时，这两种统计量都趋于稳定。因此，考虑到巷道稳定性和煤炭资源采出率两个因素，方案四是下部煤层回采巷道的最优布置方式，即15 号下部煤层102 工作面回采巷道与遗留煤柱边缘的最优错距为20 m。

图4 回采巷道与煤柱不同错距围岩变形量

3 下煤层工作面巷道支护参数

根据矿方提供的地质资料以及在15 号煤层工作面顺槽进行底板打钻探煤结果显示，15 号煤层与15号下煤层的层间距离为0.5～16 m，平均7.32 m，两层煤之间主要为炭质泥岩、泥岩、砂质泥岩。根据矿方工作面接替计划，15 下103 工作面开始进行沿空留巷，即15 下103 回风顺槽进行留巷，15 下105 运输顺槽进行留巷，15 下103 运输顺槽、15 下105 运输顺槽与15 下103 回风顺槽支护形式均不同[11-12]，具体如下：

1）当层间距＜2.5 m 时，采用11 号工字钢棚+斜撑+金属网支护，棚间距600 mm，加斜撑。工字钢棚梁采用11 号矿用工字钢制作，长度3 900 mm。棚腿采用11 号矿用工字钢制作，长度3 200 mm。金属网采用6 号钢筋网，网格为50 mm×50 mm，顶网选择4 200 mm×1 100 mm 片网，帮网为2 700 mm×1 100 mm。顶（帮）网进行对接，利用16 号铅丝双丝双扣、孔孔相连。

2）当层间距在2.5～8 m 时，采用11 号工字钢棚+锚杆+斜撑+金属网支护，棚间距900 mm，加斜撑。顶板采用Φ22 m×2 400 m 左旋螺纹钢筋锚杆，托盘为150 mm×150 mm×10 mm 碟形托盘；顶锚杆间排距900 mm、900 mm，每排布置5 根锚杆，两边顶角锚杆安设角度为与垂线呈20°；每根锚杆采用树脂锚固剂CK2335、Z2360 各1 根。锚杆吊W 型高强度钢带及金属网护表，W 型钢带为3 900 mm×280 mm×5 mm，金属网为50 mm×50 mm 的6 号钢筋网，顶网为4 200 mm×1 100 mm 片网；帮网为2 700 mm×1 100 mm。顶（帮）网进行对接，利用16 号铅丝双丝双扣、孔孔相连。

3）当层间距＞8 m 时，巷道为矩形巷道，锚杆+金属网+ 钢筋梁+ 锚索补强联合支护。顶板采用Φ22 m×2 400 m 左旋螺纹钢筋锚杆，托盘为150 mm×150 mm×10 mm 碟形托盘；两边顶角安设角度为与垂线呈20°；顶锚杆间排距800 mm、900 mm，每排6 根；每根锚杆采用树脂锚固剂CK2335、Z2360 各1 根锚固；锚杆吊W 型高强度钢带及金属网护表，W型钢带为4 300 mm×280 mm×5 mm。顶锚索采用Φ17.8 mm×6 300 mm 低松弛预应力钢绞线，长度不小于6 300 mm，顶锚索采用“三二三二”布置，间排距1 400 mm、900 mm/1 800 mm；锚索吊W 型高强度钢带，W 型钢带为3 100 mm×330 mm×6 mm；采用树脂锚固剂为（CK2335×1+Z2360×2）树脂药卷锚固，锚索托盘为300 mm×300 mm×16 mm 钢板。巷帮采用Φ22 mm×2 000 mm 左旋螺纹钢筋锚杆，锚杆托盘为150 mm×150 mm×10 mm 碟形托盘，间排距800 mm、900 mm，每排4 根。帮顶角锚杆距顶板400 mm与水平线呈15°仰角打设，帮底角锚索距底板500 mm 与水平线呈10°仰角打设，其余均垂直帮部打设。帮钢筋梁为Φ14 mm 钢筋焊接，宽为100 mm、长为2 700 mm。金属网采用50 mm×50 mm 的6 号钢筋网，顶网片规格4 500 mm×1 100 mm，帮部网片规格2 700 mm×1 100 mm。顶（帮）网进行对接，利用16 号铅丝双丝双扣、孔孔相连。

4 结语

为了实现近距离煤层的安全开采，对巷道支护进行设计。在进行设计时，采用了数值模拟方法。在巷道间距不同时，采用不同的支护形式。当层间距＜2.5 m时，采用11 号工字钢棚+斜撑+金属网支护；当层间距在2.5～8 m 时，采用11 号工字钢棚+锚杆+斜撑+金属网支护；当层间距＞8 m 时，巷道为矩形巷道，采用锚杆+金属网+钢筋梁+锚索补强联合支护。