郑越超



近距离煤层下层煤回采顺槽稳定性数值模拟研究

郑越超

(山西焦煤汾西矿业集团南关煤业有限责任公司，山西 晋中市 031300)

近距离煤层由于其煤层间距小，导致诸多巷道布置及支护问题。采用数值模拟方法，针对3种不同位置下的回采顺槽，模拟采用现阶段支护形式的支护效果，对比原支护的支护效果。主要结论如下：当顺槽巷道位于采空区及实体煤下方时采用原巷道支护方案可行，但当顺槽巷道位于采空区煤壁下方应力升高区时，采用原支护方案时支护效果差，应及时调整支护方案与支护参数，以确保巷道支护安全。针对该矿实际情况，提出了位于采空区煤壁下方的顺槽巷道优化支护参数。

近距离煤层；数值模拟；支护优化

0 引 言

近距离煤层由于其煤层间距小，导致诸多巷道布置及支护问题。主要分为以下3种情况：下层煤工作面巷道位于上层煤巷道采空区下、煤柱下或者实体煤下。不同的巷道位置分布，对应的巷道围岩受力也不同，其巷道支护设计也应具有针对性。

本文以炉峪口煤矿8#与9#近距离煤层为研究背景，采用数值模拟的方法，针对3种不同位置下的工作面顺槽，模拟采用现阶段支护形式的支护效果，对比8#煤层巷道采用原支护的支护效果，对该矿回采顺槽的支护提出建议，研究成果对该矿井的安全生产具有借鉴意义。

炉峪口煤矿现开采8#和9#煤层，两煤层属近距离煤层，层间距平均为7.5 m。矿井9#煤层厚度为0.92~2.50 m，平均厚度为1.48 m。煤层结构简单，含0~3层夹矸，顶底板皆为泥岩。9#煤层工作面巷道为矩形断面，净断面积为11.2 m2，巷道宽为4 m，高为2.8 m。

该矿在开采完8#煤层工作面后，进行9#煤层的下行开采时，发现9#煤层受8#煤层工作面开采影响比较大。影响的位置主要发生在采空区下方、采空区煤柱下方和8#煤实体煤下方3种典型位置。当9#煤层工作面位于这3种位置时，其在掘进及回采期间，巷道围岩所受到的应力大小及应力集中位置不同。因此，本文针对这3种情况，对9#煤层工作面巷道进行相应的研究，设计合理的支护方案。

1 数值模拟研究

由于9#煤层中回采顺槽与上覆采空区的相对位置存在巷道位于采空区下、煤柱下、实体煤下3种情况，因此对回采顺槽处于3个典型位置处的围岩应力及巷道表面位移情况进行数值模拟研究，以验证所提出的回采顺槽支护方案是否稳定合理，研究结果如下。

炉峪口矿3条大巷顺槽具体支护方案如表1所示。

表1 3条大巷顺槽支护方案

(1) 相对上覆采空区煤壁不同位置处顺槽围岩应力分布。由图1~图3可以看出，不同位置处回采顺槽围岩中应力分布规律与之前所研究3条大巷围岩中应力分布规律相同，当顺槽位于采空区煤壁下方，且为应力升高区时，巷道围岩中的应力集中程度最大，位于该位置回采顺槽的围岩稳定性最难控制，因此处于采空区煤壁下方的巷道在原有支护方案上还需要进行加强支护。而位于采空区和实体煤下方的工作面巷道应力集中较小，原有支护方案即有效。

图1 各位置顺槽垂直应力分布

图2 各位置顺槽水平应力分布

图3 各位置顺槽剪切应力分布

(2) 相对上覆采空区煤壁不同位置处顺槽围岩塑性区分布。从图4可以得到，采空区煤壁下方的应力增加区域内的塑性区分布较为广泛，超出了现有支护结构的控制区域，需增加支护措施；而实体煤下方的顺槽围岩塑性区分布较小，在支护范围之内，支护效果良好。

图4 不同位置处顺槽围岩塑性区分布

(3) 相对上覆采空区煤壁不同位置处顺槽围岩位移分布。图5为相对上覆采空区煤壁不同位置的回采顺槽表面垂直位移分布云图，分析图5可得出，位于采空区下面与实体煤下方的回采巷道，巷道顶板下沉量与底鼓量均较小，支护结构能够很容易地控制巷道顶板的位移。但位于采空区煤壁下方应力升高区内的回采顺槽巷道表面位移值较大，顶板下沉量达到了37.32 mm，底鼓量达到了30.15 mm，巷道表面变形量较大，因此煤壁下巷道支护困难。

图5 各位置顺槽垂直位移分布

图6为相对上覆采空区煤壁不同位置的回采顺槽表面水平位移分布云图，由图6可知，位于采空区煤壁下方应力升高区内的回采顺槽巷道两帮移近量较大，左帮达到了31.07 mm，右帮达到了35.67 mm，这表明，由于上方采空区煤柱的存在，导致下方工作面巷道围岩所受应力升高，应力集中程度变大，巷道两帮所受压力的升高导致巷道两帮移近量较大，两帮支护也不稳定，需要加强支护。

图6 各位置顺槽水平位移分布

表2 相对上覆采空区煤壁不同位置处顺槽表面位移

2 回采顺槽支护问题及建议

当顺槽巷道位于采空区及实体煤下方时，采用原设计巷道支护方案是可行的。但当顺槽巷道位于采空区煤壁下方应力升高区时，采用原支护方案时应加强安全管理与稳定性监测，及时调整支护方案与支护参数，有必要采用拱形断面加强支护或架金属棚增强支护强度，以确保巷道支护安全。

当9#煤层工作面巷道过8#煤层采空区煤柱时，其巷道围岩变形难以控制。在巷道布置时，应将9#煤层工作面巷道设计避开8#煤层采空区煤柱。若无法避开时，则需要针对此类巷道进行加强支护设计，防止巷道变形过大，影响正常的生产运行。

建议顺槽巷道支护参数：矩形断面4000 mm× 2700 mm，顶锚杆采用直径Φ20 mm长度2200 mm的左旋螺纹钢锚杆，锚杆间排距设计为750 mm×750 mm；两帮帮锚杆采用直径Φ18 mm长度1800 mm的圆钢锚杆，锚杆间排距设计为800 mm×750 mm，网片规格为1000 m×2000 mm，网格100 mm×100 mm，搭接100 mm。锚索使用Φ21.6 mm×8000 mm钢绞线锚索，锚索间距1000 mm×排距1500 mm。

3 结 论

以炉峪口煤矿8#、9#近距离煤层为研究背景，针对3种情况下的回采顺槽现阶段支护形式，利用数值模拟的方法，对3种情况下回采顺槽的支护效果进行对比研究。主要结论如下：

(1)当顺槽巷道位于采空区及实体煤下方时采用原巷道支护方案可行，但当顺槽巷道位于采空区煤壁下方应力升高区时，采用原支护方案时支护效果差，应及时调整支护方案与支护参数，以确保巷道支护安全。

(2) 提出了位于采空区煤壁下方的顺槽巷道优化支护参数：矩形断面4000 mm×2700 mm，顶板锚杆选用Φ20 mm×2200 mm左旋螺纹钢锚杆，锚杆间距和排距参数为750 mm×750 mm；两帮帮锚杆采用直径Φ18 mm长度1800 mm的圆钢锚杆，锚杆间排距设计为800 mm×750 mm。锚索使用Φ21.6 mm×8000 mm钢绞线锚索，锚索间距1000 mm×排距1500 mm。

[1] 郭 伟.极近距离煤层采空区下回采巷道稳定性分析及控制技术研究[D].太原:太原理工大学,2015.

[2] 安宏图.极近距离煤层采空区下回采巷道布置与围岩控制技术研究[D].太原:太原理工大学,2015.

[3] 刘宗柱.近距离煤层群下煤层回采巷道布置及围岩控制技术研究[D].徐州:中国矿业大学,2014.

[4] 段晓博.极近距离煤层回采巷道布置方式及围岩控制技术研究[D].太原:太原理工大学,2013.

[5] 徐小兵.浅埋近距离煤层群回采巷道变形机理及其控制技术研究[D].西安:西安科技大学,2012.

(2018−08−18)

郑越超(1989—)，男，山西灵石人，助理工程师，主要从事掘进开拓技术研究及管理工作，Email：253181114@qq.com。