极近距离煤层多采空区下巷道稳定性影响因素及支护对策研究

2014-05-30杨智文

中国煤炭 2014年4期

杨智文

（大同煤矿集团有限责任公司，山西省大同市，037003）

针对大同矿区侏罗纪下组可采煤层多、层间距离近、上覆采空区多、上覆多采空区煤柱对下部煤层巷道影响程度大、巷道围岩受力复杂、支护难度大的特点，进行了巷道支护技术研究，采用数值模拟手段，对影响围岩应力、变形的可变因子（如采空区层数、煤柱宽度、层间距、巷道布置位置等）进行了研究，找出各因子对下层巷道的影响程度大小和影响规律，为多层采空区下层巷道的合理布置、安全掘进奠定理论基础，在此基础上，提出了有效的支护措施，为该条件下巷道的安全、快速、高效掘进提供技术支撑。

1 工程概况

燕子山矿是同煤集团下属煤矿，井田南北走向长8.8 km，东西倾向宽6.6 km，井田内侏罗纪下组煤赋存有 11－1＃、11－2＃、12－1＃、12－2＃、14－2＃煤层，均为近或极近距离煤层，开采深度200 m。12＃煤层402盘区巷道布置与11＃煤层辅助盘区巷道成45°斜交，12＃煤层各工作面巷道掘进期间将反复过上覆11＃煤层8200、8202、8204、8206和8208工作面采空区间的煤柱，12＃煤层各工作面的巷道进入上覆采空煤柱下时，由于煤柱的集中压力影响，围岩应力较大，导致围岩变形剧烈，支护十分困难。11＃、12＃煤层工作面布置情况如图1所示。

图1 12＃煤层工作面回采巷道与上覆采空区煤柱位置

2 极近距离煤层多采空区下巷道稳定性影响因素研究

2.1 数值模型建立

采用ANSYS软件进行模拟分析，煤体单元最大边长不大于1 m，其它各岩层单元按与煤层的远近，适当划分。围岩物理力学性质参照工作面实际岩体力学参数确定，如表1所示。

2.1.1 模型边界条件

数值计算模型如图2所示，截取燕子山矿11－2＃、12－1＃、12－2＃近距离煤层群，模型宽150 m，高60 m，研究巷道宽3.0 m、高2.6 m，巷道位于11－2＃、12－1＃煤层煤柱下方的12－2＃煤体内。

为简化计算，采用平面应变模型Drucker－Prager塑性准则。模型的右边界施加固定水平位移的约束，底部施加固定垂直位移的约束。模型的上表面施加均布压应力。

图2 数值计算模型

2.1.2 模拟方案设计

为模拟不同条件下下层煤体内巷道受上层煤柱影响巷道围岩的应力分布情况，确定以下模拟方案：

（1）不同宽度煤柱对下层巷道应力分布影响。

（2）煤柱下方不同水平位置对下层巷道应力分布影响。

（3）不同层间距对下层巷道应力分布影响，分为上分层和中间层不同间距对下层巷道应力分布影响，中间层和下分层不同间距对下层巷道应力分布影响。

表1 煤层及顶底板岩层物理力学参数

2.2 数值模拟结果分析

2.2.1 不同煤柱宽度对下层巷道应力分布影响规律

模型选取上分层煤柱宽度分别为10 m、15 m、20 m、25 m，中间层煤柱与上分层煤柱内错6 m，巷道位于煤柱下方中轴处，上、中、下煤层之间间距分别为10 m、7.5 m的情况进行分析。图3为不同煤柱宽度时下层巷道顶板应力对比分析图。

图3 不同煤柱宽度时，下层巷道顶板垂直、水平应力对比分析

由图3（a）、（b）可见，位于煤柱中轴处的下层巷道顶板应力呈对称分布状态，最大应力位于巷道顶角处，随着煤柱宽度的增大，下层巷道顶板最大垂直、水平应力均逐渐减小。

2.2.2 煤柱下方不同水平位置对下层巷道应力分布影响规律

选取煤柱宽度20 m，上、中、下煤层间距为10 m、7.5 m条件下，巷道中心距离煤柱中轴分别为0 m、5 m、10 m、15 m、20 m的情况进行分析，图4（a）、（b）为不同位置巷道顶板应力对比分析图。

由图4（a）可知，不同位置巷道顶板最大垂直应力均位于巷道顶角处，随着巷道中心距离煤柱中轴距离的增大，下层巷道顶板垂直应力逐渐减小，靠近煤柱侧应力逐渐大于远离煤柱侧应力，当巷道位于采空区后垂直应力降低幅度较明显。

由图4（b）可知，随巷道中心距离煤柱中轴距离的增大，下层巷道顶板水平应力变化幅度较大，当巷道位于煤柱中轴附近时，巷道顶角水平应力相同；随着巷道水平位置距离煤柱中轴距离的增大，远离煤柱侧水平应力逐渐增大，而靠近煤柱侧水平应力逐渐减小；当巷道位于采空区后，远离煤柱侧水平应力又降低，而靠近煤柱侧水平应力则逐渐增大。

图4 不同水平位置时，下层巷道顶板垂直、水平应力对比分析

2.2.3 不同层间距对下层巷道应力分布影响规律

（1）上分层和中间层不同间距对下层巷道应力分布影响分析。以宽20 m煤柱下方中轴处巷道为研究对象，选取中下分层间距为7.5 m，上分层和中间层间距分别为2.5 m、5 m、7.5 m、10 m、12.5 m、15 m时，对下层巷道应力分布影响。图5（a）、（b）为上分层和中间层不同间距时下层巷道顶板应力对比分析图。

由图5（a）、（b）可知，随上分层和中间层间距的增大，下层巷道顶板最大垂直应力逐渐降低，而最大水平应力逐渐增大。当上分层和中间层间距由2.5 m增大到15 m时，最大垂直应力由27.58 MPa降低为23.62 MPa，降幅约为14.4%；最大水平应力由4.6 MPa增大到4.89 MPa，增幅约为6.3%。

（2）中间层和下分层不同间距对下层巷道应力分布影响分析。以宽20 m煤柱下方中轴处巷道为研究对象，选取上中分层间距10 m，中间层和下层间距分别为 2.5 m、5 m、7.5 m、10 m、12.5 m、15 m时，下层巷道应力分布影响。图6（a）、（b）为中间层和下层不同间距时下层巷道顶板应力对比分析图。

图5 上、中层不同间距时，下层巷道顶板垂直、水平应力对比分析

图6 下、中层不同间距时，下层巷道顶板垂直、水平应力对比分析

由图6（a）、（b）可见，随着中间层和下层间距的增大，下层巷道顶板最大垂直应力、最大水平应力均逐渐降低。当中间层和下层间距由2.5 m增大到15 m时，最大垂直应力由26.86 MPa降低为21.12 MPa，降幅约为21.1%；最大水平应力由5.36 MPa降低到3.41 MPa，降幅约为36.4%。

由上述分析可见，中间层和下分层间距的大小对下层巷道顶板应力状况的影响更加明显，随着层间距的增大，巷道顶板最大垂直应力、最大水平应力均逐渐降低。

2.2.4 影响规律分析

（1）上层煤柱宽度越大，下层巷道顶板受力集中程度减小，但影响范围越大。

（2）下层巷道位于煤柱正下方时，巷道顶板受力最大，随着巷道位置偏移煤柱中轴线，巷道受力逐渐不对称，当下层巷道位于采空区下方应力降低区时，顶板受力小容易维护。

（3）层间距越小，煤柱集中应力越容易叠加，煤柱下方应力集中区域影响深度越大，对下层巷道维护越不利，且中间层与下层的间距大小对下层巷道应力状态影响更加明显。

（4）分析各因素对应力的影响发现，当改变各因素时，水平应力均在较小范围内变化，因此主要考察各因素对垂直应力的影响。

（5）当巷道位于煤柱下方不同位置时，垂直应力变化较大，表明该因素对巷道稳定性影响大。同理分析其他两个因素，可得极近距离煤层下多采空区巷道稳定性的影响因素从大到小依次为不同水平位置影响大于层间距影响大于煤柱宽度影响。

3 巷道稳定对策

根据理论研究和数值模拟研究结果，大同矿区在极近距离煤层群下部巷道掘进时，为了减小上覆煤柱集中压力的影响，采取了一系列稳定巷道对策。

3.1 巷道布置

（1）盘区巷道布置时，为了避开上覆煤柱的影响，下层巷道与上覆煤层的盘区巷道采用重叠布置。

（2）下层回采巷道布置时，尽量采取内错布置，布置在采空区下，减小上覆煤柱集中压力的影响。

3.2 巷道支护

极近距离煤层下层巷道支护时，由于层间距小，普通锚杆、锚索支护方法无法应用，为达到主动支护的目的，充分发挥围岩的自承能力，采用预应力钢岩锚组合结构进行支护，支护结构见图7。

图7 钢岩锚组合结构示意图

采用矿用槽钢作为组合梁的钢梁，为了有效利用槽钢的抗弯截面模量，采取槽钢槽口向上的方式布置。预应力钢岩锚组合结构支护的最大特点是将锚杆、钢梁、岩石3种不同性质的材料进行有效组合，最大限度地挖掘和利用岩石自身的承载潜能。在极近距离煤层巷道支护中，它能发挥结构的自身优势，解决顶板厚度小、跨度大的支护技术难题。当上下两煤层间距小于1.0 m时，采取短锚杆加槽钢梁锚固上覆岩体，形成钢岩锚组合梁。选用10＃槽钢，锚杆长度800 mm，间距600 mm、排距800 mm，组合梁的承载力可达1.9 MPa。

3.3 预爆破上覆煤柱

巷道必须斜交或者垂直过上覆煤柱时，由于煤柱的集中压力影响，巷道围岩应力较大，导致围岩变形十分剧烈，支护十分困难。为了消除煤柱集中压力影响，对上覆煤柱采取预爆破，预先将上覆煤柱进行松动，使煤柱进入 “塑性”状态，释放煤柱的集中压力，以减轻煤柱对下部巷道的影响。当巷道掘进到距离上覆煤柱一定距离时，采用潜孔钻按照预计角度向煤柱打眼，眼底位置落在煤柱边缘4 m之内，炮眼直径60 mm，药卷直径50 mm，单位炸药消耗量0.5 kg／m3，采用导爆索起爆。