鄭越超

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近距離煤層下層煤回采順槽穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

鄭越超

(山西焦煤汾西礦業(yè)集團(tuán)南關(guān)煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉中市 031300)

近距離煤層由于其煤層間距小，導(dǎo)致諸多巷道布置及支護(hù)問(wèn)題。采用數(shù)值模擬方法，針對(duì)3種不同位置下的回采順槽，模擬采用現(xiàn)階段支護(hù)形式的支護(hù)效果，對(duì)比原支護(hù)的支護(hù)效果。主要結(jié)論如下：當(dāng)順槽巷道位于采空區(qū)及實(shí)體煤下方時(shí)采用原巷道支護(hù)方案可行，但當(dāng)順槽巷道位于采空區(qū)煤壁下方應(yīng)力升高區(qū)時(shí)，采用原支護(hù)方案時(shí)支護(hù)效果差，應(yīng)及時(shí)調(diào)整支護(hù)方案與支護(hù)參數(shù)，以確保巷道支護(hù)安全。針對(duì)該礦實(shí)際情況，提出了位于采空區(qū)煤壁下方的順槽巷道優(yōu)化支護(hù)參數(shù)。

近距離煤層；數(shù)值模擬；支護(hù)優(yōu)化

0 引 言

近距離煤層由于其煤層間距小，導(dǎo)致諸多巷道布置及支護(hù)問(wèn)題。主要分為以下3種情況：下層煤工作面巷道位于上層煤巷道采空區(qū)下、煤柱下或者實(shí)體煤下。不同的巷道位置分布，對(duì)應(yīng)的巷道圍巖受力也不同，其巷道支護(hù)設(shè)計(jì)也應(yīng)具有針對(duì)性。

本文以爐峪口煤礦8#與9#近距離煤層為研究背景，采用數(shù)值模擬的方法，針對(duì)3種不同位置下的工作面順槽，模擬采用現(xiàn)階段支護(hù)形式的支護(hù)效果，對(duì)比8#煤層巷道采用原支護(hù)的支護(hù)效果，對(duì)該礦回采順槽的支護(hù)提出建議，研究成果對(duì)該礦井的安全生產(chǎn)具有借鑒意義。

爐峪口煤礦現(xiàn)開(kāi)采8#和9#煤層，兩煤層屬近距離煤層，層間距平均為7.5 m。礦井9#煤層厚度為0.92~2.50 m，平均厚度為1.48 m。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，含0~3層夾矸，頂?shù)装褰詾槟鄮r。9#煤層工作面巷道為矩形斷面，凈斷面積為11.2 m2，巷道寬為4 m，高為2.8 m。

該礦在開(kāi)采完8#煤層工作面后，進(jìn)行9#煤層的下行開(kāi)采時(shí)，發(fā)現(xiàn)9#煤層受8#煤層工作面開(kāi)采影響比較大。影響的位置主要發(fā)生在采空區(qū)下方、采空區(qū)煤柱下方和8#煤實(shí)體煤下方3種典型位置。當(dāng)9#煤層工作面位于這3種位置時(shí)，其在掘進(jìn)及回采期間，巷道圍巖所受到的應(yīng)力大小及應(yīng)力集中位置不同。因此，本文針對(duì)這3種情況，對(duì)9#煤層工作面巷道進(jìn)行相應(yīng)的研究，設(shè)計(jì)合理的支護(hù)方案。

1 數(shù)值模擬研究

由于9#煤層中回采順槽與上覆采空區(qū)的相對(duì)位置存在巷道位于采空區(qū)下、煤柱下、實(shí)體煤下3種情況，因此對(duì)回采順槽處于3個(gè)典型位置處的圍巖應(yīng)力及巷道表面位移情況進(jìn)行數(shù)值模擬研究，以驗(yàn)證所提出的回采順槽支護(hù)方案是否穩(wěn)定合理，研究結(jié)果如下。

爐峪口礦3條大巷順槽具體支護(hù)方案如表1所示。

表1 3條大巷順槽支護(hù)方案

(1) 相對(duì)上覆采空區(qū)煤壁不同位置處順槽圍巖應(yīng)力分布。由圖1~圖3可以看出，不同位置處回采順槽圍巖中應(yīng)力分布規(guī)律與之前所研究3條大巷圍巖中應(yīng)力分布規(guī)律相同，當(dāng)順槽位于采空區(qū)煤壁下方，且為應(yīng)力升高區(qū)時(shí)，巷道圍巖中的應(yīng)力集中程度最大，位于該位置回采順槽的圍巖穩(wěn)定性最難控制，因此處于采空區(qū)煤壁下方的巷道在原有支護(hù)方案上還需要進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。而位于采空區(qū)和實(shí)體煤下方的工作面巷道應(yīng)力集中較小，原有支護(hù)方案即有效。

圖1 各位置順槽垂直應(yīng)力分布

圖2 各位置順槽水平應(yīng)力分布

圖3 各位置順槽剪切應(yīng)力分布

(2) 相對(duì)上覆采空區(qū)煤壁不同位置處順槽圍巖塑性區(qū)分布。從圖4可以得到，采空區(qū)煤壁下方的應(yīng)力增加區(qū)域內(nèi)的塑性區(qū)分布較為廣泛，超出了現(xiàn)有支護(hù)結(jié)構(gòu)的控制區(qū)域，需增加支護(hù)措施；而實(shí)體煤下方的順槽圍巖塑性區(qū)分布較小，在支護(hù)范圍之內(nèi)，支護(hù)效果良好。

圖4 不同位置處順槽圍巖塑性區(qū)分布

(3) 相對(duì)上覆采空區(qū)煤壁不同位置處順槽圍巖位移分布。圖5為相對(duì)上覆采空區(qū)煤壁不同位置的回采順槽表面垂直位移分布云圖，分析圖5可得出，位于采空區(qū)下面與實(shí)體煤下方的回采巷道，巷道頂板下沉量與底鼓量均較小，支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠很容易地控制巷道頂板的位移。但位于采空區(qū)煤壁下方應(yīng)力升高區(qū)內(nèi)的回采順槽巷道表面位移值較大，頂板下沉量達(dá)到了37.32 mm，底鼓量達(dá)到了30.15 mm，巷道表面變形量較大，因此煤壁下巷道支護(hù)困難。

圖5 各位置順槽垂直位移分布

圖6為相對(duì)上覆采空區(qū)煤壁不同位置的回采順槽表面水平位移分布云圖，由圖6可知，位于采空區(qū)煤壁下方應(yīng)力升高區(qū)內(nèi)的回采順槽巷道兩幫移近量較大，左幫達(dá)到了31.07 mm，右?guī)瓦_(dá)到了35.67 mm，這表明，由于上方采空區(qū)煤柱的存在，導(dǎo)致下方工作面巷道圍巖所受應(yīng)力升高，應(yīng)力集中程度變大，巷道兩幫所受壓力的升高導(dǎo)致巷道兩幫移近量較大，兩幫支護(hù)也不穩(wěn)定，需要加強(qiáng)支護(hù)。

圖6 各位置順槽水平位移分布

表2 相對(duì)上覆采空區(qū)煤壁不同位置處順槽表面位移

2 回采順槽支護(hù)問(wèn)題及建議

當(dāng)順槽巷道位于采空區(qū)及實(shí)體煤下方時(shí)，采用原設(shè)計(jì)巷道支護(hù)方案是可行的。但當(dāng)順槽巷道位于采空區(qū)煤壁下方應(yīng)力升高區(qū)時(shí)，采用原支護(hù)方案時(shí)應(yīng)加強(qiáng)安全管理與穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)，及時(shí)調(diào)整支護(hù)方案與支護(hù)參數(shù)，有必要采用拱形斷面加強(qiáng)支護(hù)或架金屬棚增強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度，以確保巷道支護(hù)安全。

當(dāng)9#煤層工作面巷道過(guò)8#煤層采空區(qū)煤柱時(shí)，其巷道圍巖變形難以控制。在巷道布置時(shí)，應(yīng)將9#煤層工作面巷道設(shè)計(jì)避開(kāi)8#煤層采空區(qū)煤柱。若無(wú)法避開(kāi)時(shí)，則需要針對(duì)此類(lèi)巷道進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)，防止巷道變形過(guò)大，影響正常的生產(chǎn)運(yùn)行。

建議順槽巷道支護(hù)參數(shù)：矩形斷面4000 mm× 2700 mm，頂錨桿采用直徑Φ20 mm長(zhǎng)度2200 mm的左旋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距設(shè)計(jì)為750 mm×750 mm；兩幫幫錨桿采用直徑Φ18 mm長(zhǎng)度1800 mm的圓鋼錨桿，錨桿間排距設(shè)計(jì)為800 mm×750 mm，網(wǎng)片規(guī)格為1000 m×2000 mm，網(wǎng)格100 mm×100 mm，搭接100 mm。錨索使用Φ21.6 mm×8000 mm鋼絞線(xiàn)錨索，錨索間距1000 mm×排距1500 mm。

3 結(jié) 論

以爐峪口煤礦8#、9#近距離煤層為研究背景，針對(duì)3種情況下的回采順槽現(xiàn)階段支護(hù)形式，利用數(shù)值模擬的方法，對(duì)3種情況下回采順槽的支護(hù)效果進(jìn)行對(duì)比研究。主要結(jié)論如下：

(1)當(dāng)順槽巷道位于采空區(qū)及實(shí)體煤下方時(shí)采用原巷道支護(hù)方案可行，但當(dāng)順槽巷道位于采空區(qū)煤壁下方應(yīng)力升高區(qū)時(shí)，采用原支護(hù)方案時(shí)支護(hù)效果差，應(yīng)及時(shí)調(diào)整支護(hù)方案與支護(hù)參數(shù)，以確保巷道支護(hù)安全。

(2) 提出了位于采空區(qū)煤壁下方的順槽巷道優(yōu)化支護(hù)參數(shù)：矩形斷面4000 mm×2700 mm，頂板錨桿選用Φ20 mm×2200 mm左旋螺紋鋼錨桿，錨桿間距和排距參數(shù)為750 mm×750 mm；兩幫幫錨桿采用直徑Φ18 mm長(zhǎng)度1800 mm的圓鋼錨桿，錨桿間排距設(shè)計(jì)為800 mm×750 mm。錨索使用Φ21.6 mm×8000 mm鋼絞線(xiàn)錨索，錨索間距1000 mm×排距1500 mm。

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(2018?08?18)

鄭越超(1989—)，男，山西靈石人，助理工程師，主要從事掘進(jìn)開(kāi)拓技術(shù)研究及管理工作，Email：253181114@qq.com。