近距离煤层下行式开采巷道布置及支护方法探究

摘 要：对炉峪口煤矿近距离8#、9#煤层采用下行式开采时，通过理论分析、数值模拟等手段着重分析位于上部8#煤层采空区下方不同位置处的9#煤层巷道应力、塑性分布及位移变化等情况，从而为在下行式开采时对下部巷道的布置方法及支护方案的探究提供理论基础，也为本矿9#煤层中的巷道参数及支护设计提供参考和指导依据。

关键词：煤层群；采空区；数值模拟；矿压观测

中图分类号：TD353 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.11.072

太原煤气化股份有限公司炉峪口煤矿位于太原市古交梭峪乡炉峪口村，2005年起，矿井每年的核定生产能力为8.5×105 t。该矿主要开采太原组上组2#、3#、4#煤和下组8#、9#煤，目前上组煤已开采完毕，下组8#煤也即将开采完毕。为保证矿井的正常衔接，从2012年开始开采下组9#煤层。根据地质资料，本矿一采区下组8#、9#煤层平均层间距为7.5 m，上部8#煤层中采空区附近的应力分布对下部9#煤层中布置巷道的稳定性影响较大，为此，需要对本采区近距离煤层采场及巷道围岩应力的重新分布进行分析研究，以便为我矿9#煤层巷道的布置及围岩控制方式等的确定提供科学依据。

1 近距离煤层下行式联合开采研究

1.1 近距离煤层下行式开采特点

煤矿安全规程规定，近距离煤层是指煤层层间距较小、开采时相互影响较大的煤层。对于近距离煤层的联合开采，无论是采用何种开采方式，其目的都是以开采第一层煤后不影响第二层煤及其顶底板的完整性和连续性，不影响其正常开采为基准而研究和制定的。因此，研究近距离煤层的联合开采，实则是研究煤层群联合开采时回采工作面、回采巷道围岩的矿压显现特征以及对应的支护方式和参数。

1.2 采空区下部巷道布置方式及其优缺点

近距离煤层联合开采时，根据下部煤层与上部煤层的时空关系，下部煤层回采巷道一般分为三种布置方式，分别是内错式布置、外错式布置和重叠式布置。通常人们认为采空区下方为减压区，围岩应力小于原岩应力，而煤柱下方为增压区，为保证巷道的稳定和安全性，下层煤巷道应尽量采用内错式布置，使其位于减压区范围内。

内错式布置可以保证下层巷道布置在上层煤开采后形成的应力降低区内，巷道支护较容易，相关的工程应用较多。但如果与上部采空区距离过近，上煤层底板破坏范围就会扩展至下部巷道层位中，也会导致内错式布置巷道支护困难，如果锚杆、锚索刚好锚固在上部采空区范围内，就会导致巷道支护失效，稳定性变差。

2 采空区下应力分布模拟分析

2.1 模型建立

空后，其围岩应力分布及变化规律对下层9#煤层的影响，本文采用FLAC3D软件对其进行数值模拟研究。

FLAC3D采用有限元差分法时步迭代的方法进行计算，因此在每个循环计算中，通过对各单元节点的应力平衡计算，可求出各节点的应力及位移状况。所以通过循环开挖模拟的最终结果，可以得到在现有8#煤采空区上部岩层稳定的条件，下采空区周围应力分布状况及9#煤层中应力分布状况和规律。

2.2 采空区下应力分布特征分析

图1 上部8#煤层开采结束后9#煤层中应力分布曲线图

从图1中可以看出，下部9#煤层中的三种应力在距上部8#煤层采空区边缘向煤柱侧20 m、采空区侧5 m，总计25 m范围内变化幅度最大，为应力升高区。该区域内巷道支护困难，远离这个范围，则应力逐渐降低恢复到原岩应力水平，这也与理论计算及现有经验基本相符。

3 工作面顺槽稳定性数值模拟研究

3.1 顺槽支护设计说明

对炉峪口煤矿9#煤层回采工作面顺槽支护方案按照初步设计进行设定：断面形式为矩形。掘进断面为：宽×高=4 000 mm×2 700 mm。支护形式为锚网联合支护，顶板锚杆为φ20×2 200 mm左旋螺纹钢锚杆，锚杆间排距为750 mm×750 mm，每根锚杆配CK2360和Z2360树脂药卷各一卷；两帮锚杆采用φ18×1 800 mm圆钢麻花锚杆，锚杆间排距为800 mm×750 mm，每根锚杆配CK2360树脂药卷一卷；顶帮铺设网片规格为1 000 mm×2 000 mm，网格100 mm×100 mm，搭接100 mm；锚索使用φ21.6×8 000 mm，1×19结构钢绞线锚索，托盘规格为300 mm×300 mm×16 mm钢板，锚索间排距为1 000 mm×1 500 mm，每根锚索使用一卷CK2360和三卷Z2360树脂锚固剂。

3.2 对采空区下方各位置处情况的分析

3.2.1 顺槽围岩应力分布模拟情况

在以上FLAC3D数值模拟的基础上设定巷道，可得到相对于8#煤层采空区下部不同位置处的9#煤层工作面顺槽围岩应力，应力分布云图如图2、图3和图4所示。

图2 8#煤层采空区下方不同位置处顺槽围岩垂直应力分布云图

图3 8#煤层采空区下方不同位置处顺槽围岩水平应力分布云图

由图2、图3和图4可知，当顺槽位于上部回采工作面采空区边缘煤柱下部应力升高区时，巷道围岩中的应力集中程度

最大，导致位于该位置回采顺槽的围岩稳定性最难控制，需在现有方案基础上加强支护，而位于采空区和实体煤下方的巷道垂直应力集中系数较小，现有支护方案稳定有效。

3.2.2 顺槽塑性区分布模拟情况

上部8#煤层采空区下不同位置处顺槽围岩塑性区分布如图5所示。

图4 8#煤层采空区下方不同位置处顺槽围岩剪切应力分布云图

图5 上部8#煤层采空区下不同位置处顺槽围岩塑性区分布云图

由图5可知，处于上部煤层回采工作面采空区边缘煤柱下方应力升高区中的回采顺槽围岩中的塑性区分布范围较大，超出了现有锚杆索支护体系的控制范围，巷道围岩较为不稳定，主动支护效果较差，在此基础上仍需要加强支护；位于采空区下方与实体煤下方的回采顺槽围岩塑性区分布范围较小，未超出锚杆索主动支护范围，支护效果较好。

4 结论

依据炉峪口煤矿8#、9#煤层顶底板围岩地质力学条件，运用FLAC3D对8#煤层采区区下不同位置处的巷道围岩稳定性进行了系统研究，发现受上部8#煤采空区的影响，下部9#煤层所在地层中有明显的应力升高区和降低区，上部8#煤采空区边缘煤柱下方为9#煤层中的应力升高区，尤其是8#煤采空区煤壁往煤柱侧5 m、往采空区侧20 m，共计25 m范围内为最大。

在巷道设计过程中，9#煤层巷道如果布置在8#煤层采空区煤柱边缘下方，则难以支护，应该尽量避开8#煤层煤柱，如果必须要通过上部8#煤层采空区边缘煤柱时，则必须对煤柱下方巷道加强支护。

如果9#煤层巷道必须布置在8#煤层采空区边缘煤柱下方时，则该巷道围岩应力集中现象明显，巷道围岩表面位移大，塑性区分布范围大，应改进巷道支护方案，增加锚杆长度，增设锚索数量并减少锚索间排距。

参考文献

[1]武春阳.极近距离煤层巷道布置与支护研究[J].赤子，2014（3）：235.

[2]宋杰.极近距离煤层回采巷道布置方式的研究[J].山西煤炭，2014（2）：28-30.

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作者简介：刘伟强（1984—），男，山西太原人，大学本科，助理工程师，主要从事煤炭开采技术与管理方面的工作。

〔编辑：王霞〕