近距离煤层群开采巷道布置及支护设计数值模拟

2018-09-11武守锋

山东煤炭科技 2018年8期

关键词：塑性锚索锚杆

武守锋

（山西汾西矿业（集团）有限责任公司双柳煤矿，山西吕梁 03300）

1 引言

近距离煤层是指由于不同时期的成煤作用，使上下两层可采煤层的层间距较近，并且其中一层煤的开采会对相邻煤层产生采动影响的煤层群[1-2]。近距离煤层群在我国分布较广，各大矿区在开采过程中都会面临近距离煤层群相互影响问题。

我国关于近距离煤层区开采的研究较多[3-5]，尤其近些年来随着开采深度的不断增加，在高地应力、复杂构造应力等影响下，近距离煤层开采过程中开采巷道支护及稳定性问题更为突出。

不同的煤层赋存条件对具体支护参数、支护方案的要求不同。本文以山西双柳矿上煤层开采后对下煤层开采过程中回采巷道支护及稳定性分析为具体工程背景，通过FLAC3D建立煤层及岩层数值模型，首先通过下煤层开采巷道围岩的塑性区分布规律确定回采巷道的最优错距，然后在该错距的基础上分析不同支护方案的支护效果。

2 地质概况及模型建立

双柳矿的地质条件较简单，2层可采煤层平均间距10m，属于近距离煤层，煤层顶底板岩石主要为砂质泥岩、细粒砂岩、粉砂岩，煤层稳定性较好。

如图1所示，根据实际地质赋存条件及建模优化处理设计的开采模型，自上至下依次为地表上覆岩层、较厚的砂质泥岩、薄泥岩、上可采煤层、粉砂岩、下可采煤层、砂质泥岩、底板厚岩层。根据精确并考虑计算简便的双重原则，将模型中间部分的网格细化，使得巷道及煤柱研究的单元较多，从而进一步提高模拟结果的精确性。

3 开采巷道布置错距选择

在上煤层开采完成后，根据下煤层巷道布置的大致范围，并且考虑到巷道和开切眼宽度为5m，因此，选择7m、9m、11m三种错距模拟方案，通过分析回采巷道开挖后围岩塑性区的分布规律，进行具体的巷道布置比较，如图2所示。

图1 近距离煤层群数值模型及网格细化图

图2 不同错距的巷道围岩塑性区图

图2(a)可知，在巷道内错7m时，巷道顶板出现了较大塑性区，底板和两帮也有部分塑性区，围岩总塑性区范围大约为18～20m2，巷道不太稳定。

由图2(b)可知，当巷道内错9m时，巷道围岩塑性区面积为14m2，相比内错11m时减少约1/3左右，这种情况下巷道基本处在稳定状态，后期再进行支护可以使巷道达到安全等级，可以进行实际生产应用。由图2(c)可知，当巷道内错11m时，巷道围岩塑性区面积为12m2，相比内错9m时变化不太大，可以推测再继续增加巷道内错距，围岩塑性区基本不会有太大变化，且增加煤柱宽度，减少煤层回采量，不合理。

综上所述，根据数值模拟结果，上层煤采动和煤柱的应力集中对下层煤的影响更小，最佳内错距约为9m最为合理。

4 巷道支护参数模拟优化

根据上述分析，结合工程状况及下煤层巷道内错9m模型，考虑到支护效果和成本两方面，在查阅锚杆、锚索布置方式等参考文献的基础上，采用顶板和两帮均用锚杆加锚索且锚杆锚索同排布置方式，并根据具体的施工要求制定了三种类型的支护方案。

图3 支护方案锚杆、锚索布置图

支护方案一：顶板采用高强度左旋螺纹钢锚杆，为矩形布置方式，间排距为900×900mm，其中锚杆Φ20mm，长度2.4m，锚固长度1.4m，且从巷道Y=0.5m面开始往工作面预推进方向添加锚杆；两帮同样采用高强度锚杆，锚杆Φ20mm，长度1.8m，间排距为900×900mm；锚索同样为矩形布置，间排距2000×2700mm，采用Φ15.24 mm，长度7300mm钢绞线。

支护方案二：锚杆、锚索的间排距都增大，将原来的锚杆900×900mm改为1000×1000mm，锚索改为2000×3000mm，其他参数均不变。

支护方案三：锚杆、锚索间排距继续增大，锚杆改为1100×1100mm，锚索改为2000×3300mm，其他参数均不变。

图4～6为三种支护方案的巷道围岩竖向位移和水平位移图。通过比较三种方案的模拟结果，图5显示的巷道周围的竖向位移和水平位移平均值最小，应力集中程度最小，支护效果比较明显。

通过分析结果，方案二中当顶板和两帮均用锚杆加锚索且锚杆、锚索间隔布置，锚杆间排距为1000×1000m，锚索为2000×3000mm时，支护效果明显。