康 銳

（西山煤電晉興公司斜溝煤礦，山西 呂梁 033600）

近距離煤層因其層間距較小，上層煤回采結(jié)束后遺留的工作面煤柱由于應(yīng)力集中現(xiàn)象會(huì)對(duì)下層煤工作面巷道的維護(hù)產(chǎn)生影響，尤其是當(dāng)下層煤工作面巷道采取外錯(cuò)于煤柱下方布置時(shí)，頂板破碎難以支護(hù)。因此，掌握下層工作面巷道外錯(cuò)布置于煤柱下方時(shí)的應(yīng)力分布情況及圍巖變形情況對(duì)于巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)具有十分重要的意義。

本文以山西省晉能集團(tuán)盛平煤礦3#煤近距離煤層開采為研究背景，采用FLAC3D數(shù)值模擬方法研究了下層工作面巷道外錯(cuò)布置于煤柱下方時(shí)的應(yīng)力分布情況及圍巖變形情況，并以此為依據(jù)提出了3#煤層工作面巷道的支護(hù)參數(shù)。

1 概況

山西省晉能集團(tuán)盛平煤礦位于臨汾鄉(xiāng)寧縣，核定能力90萬t/a，埋深170m。目前2#煤層已接近回采結(jié)束，即將接續(xù)3#煤層工作面，2#煤平均厚度2.4m，傾角2°～7°，頂板為泥巖、粉砂巖，底板為泥巖。3#煤平均厚度2.0m，頂板為中粒砂巖，層間距為1.7～5.8m，平均4.6m。2#煤工作面留設(shè)煤柱寬度為15m。3#煤布置工作面推進(jìn)方向與上層2#煤工作面一致，工作面兩順槽外錯(cuò)布置于上層工作面煤柱下方。礦井地質(zhì)綜合情況如圖1所示。

圖1 巖層綜合柱狀

2 煤柱圍巖應(yīng)力及變形規(guī)律

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立2#、3#煤地質(zhì)模型，通過模擬2#煤的回采，研究上層煤柱圍巖的應(yīng)力分布及變形規(guī)律，煤柱寬度為15m。通過試驗(yàn)測得煤巖體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 圍巖力學(xué)參數(shù)

2.1 圍巖變形情況

上層煤回采結(jié)束后，煤柱及周圍巖體的變形情況如圖2所示。通過觀察發(fā)現(xiàn)，在煤柱兩側(cè)距煤壁5m范圍內(nèi)產(chǎn)生塑性變形，在煤柱中心位置存在彈性內(nèi)核，說明回采結(jié)束后煤柱仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。由于上次工作面采動(dòng)影響，底板發(fā)生塑性變形，在層間距為4.6m的情況下，巷道外錯(cuò)布置于煤柱下方頂板發(fā)生塑性變形，承載能力減弱，因此需加強(qiáng)頂板支護(hù)。

圖2 彈塑性區(qū)域分布

2.2 圍巖應(yīng)力分布情況

上層煤回采結(jié)束后，煤柱及周圍巖體的垂直應(yīng)力分布情況如圖3所示。通過觀察發(fā)現(xiàn)，在煤柱內(nèi)部應(yīng)力呈馬鞍狀分布，在兩側(cè)對(duì)稱存在應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力峰值達(dá)到40.92MPa，煤柱中心位置垂直應(yīng)力為33MPa。在煤柱下方存在應(yīng)力集中區(qū)，在層間距為4.6m的情況下，巷道外錯(cuò)布置于煤柱下方會(huì)受到應(yīng)力集中區(qū)的影響，頂板垂直應(yīng)力較大。

圖3 圍巖垂直應(yīng)力分布

煤柱下方4.6m位置即3#煤頂板的垂直應(yīng)力如圖4所示。觀察發(fā)現(xiàn)煤柱下方3#煤頂板垂直應(yīng)力以煤柱中心線為對(duì)稱軸對(duì)稱分布。在距中心線5m位置應(yīng)力最大，應(yīng)力集中系數(shù)6.6。應(yīng)力峰值兩側(cè)5～10m位置垂直應(yīng)力迅速下降至1左右。因此，當(dāng)3#煤工作面巷道布置于煤柱下方時(shí)，頂板垂直應(yīng)力集中系數(shù)較高，巷道頂板易發(fā)生塑性破壞，需合理設(shè)計(jì)巷道支護(hù)方式。

圖4 3#煤頂板垂直應(yīng)力集中系數(shù)

3 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化

3#煤工作面巷道設(shè)計(jì)寬3.7m，高2.8m，原為“錨桿+錨索+金屬網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)，錨桿端頭錨固，矩形對(duì)稱布置，頂錨桿選用Φ18×2200mm的螺紋鋼錨桿和1200×5000mm的10#鐵絲金屬網(wǎng)；錨索Φ17.8×6000mm。頂錨桿間排距1100×1100mm，每排4根，錨索間排距為1100×1100mm，每排3根。但巷道頂板破碎下沉嚴(yán)重，無法保證礦井安全生產(chǎn)。

對(duì)3#煤工作面巷道頂板支護(hù)設(shè)計(jì)提出優(yōu)化方案：頂板采用“錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+W鋼帶+11#工字鋼棚”聯(lián)合支護(hù)，錨桿端頭錨固，矩形對(duì)稱布置，頂錨桿選用Φ20×2200mm的螺紋鋼錨桿和1000×5000mm的10#鐵絲金屬網(wǎng)支護(hù)；錨索選用型號(hào)為Φ17.8×7000mm。頂錨桿間排距為900×900mm，每排5根，錨索間排距1100×1100mm，每排3根。11#工字鋼梁長3.4m，棚腿2.1m，棚距為800mm。

為了檢驗(yàn)優(yōu)化方案的效果，對(duì)采用優(yōu)化方案支護(hù)的巷道頂板下沉量進(jìn)行了觀測，如圖5所示。

圖5 3#工作面巷道頂板下沉量

通過對(duì)比可知采用優(yōu)化后的支護(hù)方案頂板下沉量由340mm下降為170mm，降低50%，巷道頂板支護(hù)效果明顯提升，能夠滿足工作面生產(chǎn)需求。

4 結(jié)論

在近距離煤層開采過程中，下層工作面會(huì)受到上層遺留煤柱的影響。由于上層煤柱承受了較大的集中應(yīng)力，會(huì)在底板圍巖中形成應(yīng)力集中區(qū)。當(dāng)下層工作面巷道外錯(cuò)布置于煤柱下方的應(yīng)力集中區(qū)范圍內(nèi)，巷道頂板易發(fā)生破碎變形。因此，針對(duì)盛平煤礦近距離煤層外錯(cuò)巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，采用“錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+W鋼帶+11#工字鋼棚”聯(lián)合支護(hù)的方式，將頂板下沉量降低50%，對(duì)類似近距離煤層工作面巷道的支護(hù)具有重要的借鑒意義。