近距离煤层采空区下巷道支护优化设计

周阳，马晓龙

（国家能源集团宁夏煤业有限责任公司，宁夏银川 750000）

0 引言

煤炭一直占据我国能源主体地位，2022 年国家统计局官方发布的数据显示，在我国工业发电量中火电占比仍在稳定增长。这得益于近年来全国范围内原煤产量的快速增长，产量连年刷新历史新高，未来对煤炭资源的需求更是只增不减。然而，随着煤炭资源持续高产采出，我国中、浅埋煤炭资源尤其中东部矿区资源逐渐枯竭[1]。为了持续高效利用现有煤炭资源，结合我国煤层特有赋存形式，近年来加大近距离煤层的开采力度[2-3]。

近距离煤层通常指煤层层间距小于或等于10 m 范围内的煤层群[4-6]，近距离煤层开采通常采用下行开采方式。在上部煤层开采以及开采结束后遗留煤柱应力叠加作用下，底板（下部煤层的顶板） 会因应力重新分布产生塑性破坏，回采巷道安全掘进，回采过程稳定性降低，影响煤炭资源有效采出。针对近距离煤层开采诸多问题，朱利军[7]针对贺西近距离煤层孤岛工作面运输巷围岩变形严重且难以控制等难题，利用FLAC3D 对巷道进行优化设计，现场实践效果明显；任玉龙[8]等针对大佛寺近距离煤层现工作面回采距离不够、上煤层采空等问题，提出了运输巷外错，回风巷内错布置的方法，实践研究表明，工作面无明显应力显现现象；兰红[9]等为研究近距离煤层围岩失稳问题，以林东煤业近距离煤层回采巷道为研究对象，利用FLAC3D 数值模拟分析了上位煤层开采对底板应力影响及围岩破坏情况；王泓博[10]等为了研究上位煤层遗留煤柱对下部煤层回采巷道布局的影响，从理论计算、编程计算、数值模拟多方面进行研究，分析得出了采空区下煤柱与巷道合适的错距区间，现场实践效果良好。以上学者从采空区下巷道应力演化规律、近距离煤层开采围岩控制技术两个方面进行了细致研究，然而由于近距离煤层巷道掘进回采过程中存在诸多不确定性因素，本文结合双马一矿下煤层巷道支护情况，对12 号煤层12201 工作面回采巷道进行支护优化设计。

1 概况

国家能源集团宁夏煤业有限责任公司双马一矿现主采11 号、12 号近距离煤层，11 号煤层位于12 号煤层上方，12 号煤层埋深550 m，11 号煤层与12 号煤层平均间距为6.7 m，采用下行开采，11号煤层厚度为1.25 ～4.23 m，平均厚度为2.51 m；12 号煤层厚度为2.67 ～5.46 m，平均厚度为4.5 m。上下煤层都采用自然垮落法处理采空区。11 号煤层101 和102 工作面都已采完，留有20 m 区段煤柱。12 号煤层回采巷道外错7 m 布置在上煤层区段煤柱下方，采用这种布置方式，巷道掘进速度快，可以将锚杆索锚固在稳定煤层中，有利于煤炭高效安全开采。12201 工作面运输巷设计为巷宽4 m、巷高3.5 m 的矩形巷道，沿12 号煤层顶板掘进。12201 工作面运输巷空间位置如图1 所示。

图1 运输巷空间位置Fig.1 Space position of transportation roadway

2 数值模拟分析

2.1 模型建立

根据矿井地质条件，通过FLAC3D 数值模拟软件对11 号煤层、12 号煤层及巷道进行局部建模，在模型上部边界施加9.65 MPa 压应力，侧压系数取1.2，重力加速度取10 m/s，模型建立情况如图2 所示。

图2 数值计算模型Fig.2 Numerical calculation model

2.2 运输巷掘巷及工作面回采应力分布情况

先开挖11 号煤层，待11 号煤层采空区稳定再进行12201 运输巷开挖模拟，模型平衡后得出巷道垂直应力分布如图3 所示。

图3 掘巷垂直应力分布Fig.3 Vertical stress distribution of excavation roadway

由图3 可知，运输巷外错7 m 布置在区段煤柱下方，由于遗留煤柱的影响，煤柱高应力区向煤层底板扩散至运输巷附近，煤柱底板由于高应力作用发生塑性破坏，巷道帮部存在明显的应力集中现象。

最后对模型进行12201 工作面开挖模拟，进一步观察运输巷在多重扰动作用下应力分布情况。模型平衡后得出巷道垂直应力分布如图4 所示。

图4 工作面回采应力分布Fig.4 Stress distribution of face mining

受12201 工作面回采影响，巷道采空区侧处于应力降低区，实体煤帮侧向支承压力高达28.7 MPa，而掘巷期间实体煤帮侧向支承压力为16.7 MPa，可见在该工作面回采及掘巷、上工作面回采残余支承压力叠加作用下，实体煤帮侧向支承应力大幅度升高，在高应力持续作用下，巷道围岩必将发生更大范围的塑性破坏。

2.3 运输巷道破坏过程

根据现场观测并结合数值模拟分析可知，导致巷道发生大范围破坏的原因为巷道在成巷及回采期间受到多重扰动影响。①由于11 号煤层回采以及采空区稳定遗留煤柱的影响，对底板尤其煤柱下方的底板造成一定程度的破坏，在12 号煤层回采时，该工作面顶板是上一煤层回采结束形成的破碎顶板；②在运输巷掘巷期间，煤柱底板下方存在大范围的应力升高区，巷道两帮出现不对称高应力峰值区；③12201 工作面回采期间，巷道采空区侧处于应力降低区，而实煤体侧因多重扰动影响而出现更大范围的应力升高区，巷道围岩变形严重。

3 巷道支护优化设计

3.1 初始支护方案对比分析

根据矿井作业规程，运输巷成巷期间，巷道采用常规锚杆索支护，锚杆间排距800 mm×1000 mm；锚索间排距1600 mm×2000 mm，根据现场巷道变形情况来看，当前支护结构无法满足工作面回采需要。

3.2 优化设计方案及模拟

由于12201 工作面运输巷外错7 m 布置在区段煤柱下方，且巷道靠近11101 煤柱帮的缘故，导致巷帮出现应力分布不对称现象，因此对巷道帮部进行差异化强支护。在原支护方案中，加强巷道两帮支护，尤其是实体煤帮支护，同时要加大锚杆索支护密度，优化后的支护方案如图5 所示。

图5 支护优化方案Fig.5 Support optimization scheme

优化支护方案中，锚杆索间排距改为800 mm×800 mm，锚索间排距1600 mm×1600 mm，顶锚杆改为6 支，角锚杆倾斜15°。两帮都采用全锚索支护，采空区帮铺打2 根垂直于巷帮的锚索，实煤体帮铺打3 根锚索，上排角锚索15°，下排角锚索下俯5°。

根据优化设计方案，利用FLAC3D 软件进行锚杆索预应力模拟，巷道优化支护后最大主应力云图如图6 所示。

图6 优化支护后最大主应力云图Fig.6 The maximum principal stress cloud diagram after optimized support

可以看出，优化支护设计，能够在围岩周围形成多层承载结构，锚固深度较优化之前明显提升一倍。由于实体煤帮比采空区帮支护密度高，所以右侧锚固范围更大。优化支护设计，有效控制围岩塑化，防止塑性区向深部延展。

3.3 现场应用监测效果

现场采用优化支护方案后，对巷道顶板、两帮布置测点进行围岩变形监测，如图7 所示。

图7 巷道围岩变形监测Fig.7 Surrounding rock deformation monitoring of roadway

采用优化支护方案之后，巷道围岩变形量得到明显控制，两帮围岩变形稳定在300 mm，顶板变形量稳定在200 mm，围岩控制效果良好。

4 结论

（1） 运输巷掘进模拟结果表明，11 号煤采空区稳定后，由于遗留煤柱的影响，煤柱高应力区向煤层底板扩散至运输巷附近，煤柱底板由于高应力作用发生塑性破坏，巷道帮部出现了明显的应力集中现象。

（2） 12201 工作面回采模拟结果表明，受12201 工作面回采影响，巷道采空区侧处于应力降低区，在多重扰动作用下实体煤帮侧向支承压力明显升高。

（3） 通过对巷道支护进行优化设计，巷道锚固范围明显扩大，有效控制了巷帮及顶板的围岩变形量，防止围岩进一步向深部塑化破坏。