近距离下位煤层回采巷道合理位置及支护技术研究

杜宇

【摘 要】 文章针对近距离下位煤层回采巷道受上位煤层开采影响、巷道矿压显现强烈、导致支护困难的问题，以山西某矿7号和8号近距离煤层为研究对象，采用理论计算和数值模拟相结合的研究方法，确定了8301回风顺槽合理布设位置为内错煤柱8m。现场实测结果表明：内错煤柱8m并采用“锚网索”联合支护后，8301回风顺槽顶底及两帮相对移近量最大值分别为85.24mm和178.36mm，巷道围岩变形得以有效控制。

【关键词】 近距离煤层;回采巷道;合理位置;围岩控制

【中图分类号】 TD355 【文献标识码】 A 【文章编号】 2096-4102（2022）01-0001-03

本文采用理论计算和数值模拟相结合的研究方法，对山西某矿近距离下位煤层回采巷道合理布设位置进行研究，以期为类似工程技术条件回采巷道布设位置选择提供借鉴和参考。

1工程概况

山西某矿主采7号和8号煤，其中7号煤层平均厚度3.07m，倾角4°。8号煤层平均厚度为4.10m，倾角5°。7号和8号煤平均间距为8.36m，属典型近距离煤层。8号煤层直接顶为厚2.24m的泥岩，基本顶为厚4.02m的砂质泥岩，直接底为厚2.25m的泥岩，老底为厚5.74m的细粒砂岩。7号煤区段煤柱留设宽度为25m。8301工作面为8号煤首采工作面，位于7303工作面采空区正下方。8301工作面采用双巷均为矩形断面，尺寸为3800mm×4200mm（宽×高）。8301工作面布置情况如图1所示。

2下位煤层回采巷道合理错距的理论计算

研究表明，上位煤层开采后在采空区下形成应力降低区，在区段煤柱下一定范围内形成应力升高区。为提高下位煤层回采巷道稳定性和降低巷道支护成本，应将下位煤层回采巷道内错上位煤层遗留煤柱一定距离布置，如图2所示。巷道内错煤柱水平距离[S]可通过式（1）计算：

S≥Z/sin（α+θ）sinβ  （1）

式中：Z为煤层层间距，取8.36m;α为上位煤层倾角，取4°;[β]为应力传递影响角，取44°;θ为β余角，θ=90°-β，取46°。将数据带入式（1）可求得S≥7.57m。由此可知8301工作面回采巷道应内错煤柱8m布置。

3下位煤层回采巷道合理错距的数值模拟

3.1 模型建立

为进一步确定8301工作面回采巷道合理布设位置，基于7号煤和8号煤实际工程地质条件，采用FLAC3D数值模拟软件，建立尺寸为300m×150m×100m（长×宽×高）的三维数值计算模型，分别对8301工作面回采巷道内错上位7号煤层7303工作面区段煤柱4m、6m和8m布置时巷道垂直应力及塑性区分布特征进行研究。模型底部限制竖直方向位移，四周限制水平方向位移，上部施加6.26MPa的均布载荷以等效上覆岩层载荷（按照埋深248.8m，上覆岩层平均容重为21.25 kN/m3计算）。数值模型中煤岩岩层物理力学参数如表1所示。

3.2 不同错距下回采巷道垂直应力分布特征

不同错距下回采巷道垂直应力分布特征如图3所示。

由图3可知，当巷道内错煤柱4m布置时，受上位煤层遗留煤柱应力集中影响较大，巷道整体位于应力升高区内，巷道垂直应力峰值达到7.14MPa。当错距增加至6m时，巷道大部分位于应力降低区，靠近上位煤层遗留煤柱侧应力较高，垂直应力最大值为6.25MPa。当错距继续增大至8m时，巷道受上位煤层遗留煤柱集中应力影响程度显著降低，巷道垂直应力峰值为2.46MPa，巷道整体位于应力降低区内，可见内错8m时最利于巷道稳定和围岩控制。

3.3 不同错距下回采巷道围岩塑性区分布特征

不同错距下回采巷道围岩塑性区分布特征如图4所示。

由图4可知，当巷道内错煤柱4m布置时，巷道围岩塑性区分布范围较大，且巷道左侧塑性区宽度约为10m，且与上位煤层回采所形成的塑性区贯通。当巷道内错煤柱6m布置时，巷道左侧虽仍存在塑性区，但其宽度缩减至约6m，且与上位煤层回采所形成的塑性区间有一定范围的弹性区，表明此时巷道围岩受上位煤层遗留煤柱影响程度降低，有利于巷道维护。当巷道内错煤柱8m布置时，巷道左侧围岩塑性区宽度仅为3m，表明此时巷道受上位煤柱影响最小，最有利于巷道围岩控制。

4工程实践

基于理论计算和数值模拟研究结果，确定了8301工作面回采巷道合理布设位置为内错7303工作面区段煤柱8m。为评估8301回采巷道内错8m布置时的掘巷效果，根据该矿实际生产情况，对8301回风顺槽支护方案及参数进行设计，并对掘巷期间巷道表面变形进行观测和分析。

4.1 巷道支护设计

8301回风顺槽采用“锚网索”联合支护，支护断面如图5所示，具体支护参数为：顶板锚杆采用Φ22mm×2200mm的左旋螺纹钢锚杆，间排距为800mm×1000mm，每排垂直于顶板布置5根。锚索选用Φ18.6mm×6000mm的1×7股钢绞线锚索，间排距为1200mm×2000mm，采用“二0二”方式布置。金属网采用10号铁丝编织的网孔尺寸为50mm×50mm的菱形金属网，规格为4500mm×1000mm（长×宽）。两帮锚杆选用Φ20mm×2000mm的左旋螺纹钢锚杆，间排距为1000mm×1000mm，每排垂直于巷帮布置4根。

4.2 巷道围岩变形观测与分析

在8301回风顺槽掘进期间与巷道内距掘进迎头50m、100m和150m处分别布置巷道表面位移测站，采用“十字布点法”对巷道表面位移进行观测和记录，由于3个测点所观测到的巷道表面位移变化规律基本一致，故以1号测点观测到的数据为例进行分析，巷道表面位移随时间的变化如图6所示。

由图6可知，在为期60d的观测时间内，巷道表面位移量随时间呈先快速增大，再缓慢增长，最后趋于稳定的变化规律。具体表现为：在0～20d内，巷道顶底板及两帮相对移近量增长速度较快;在20d～30d内，巷道顶底板及两帮相对移近量随时间的增长速率逐渐减小;在30d以后，巷道顶底板及两帮相对移近量基本趋于稳定。此外，巷道顶底及两帮相对移近量最大值分别为85.24mm和178.36mm，巷道围岩变形在允许范围内，表明内错上位7303工作面区段煤柱8m布置8301回风顺槽时，巷道围岩变形得以有效控制。

5结语

文章采用理论计算的方法确定了8301工作面回采巷道合理布设位置为内错煤柱8m。采用FLAC3D数值模拟软件，对比分析了内错煤柱4m、6m和8m时8301回风顺槽垂直应力及塑性区分布特征，结果表明：内错煤柱8m时，巷道垂直应力峰值为2.46MPa，巷道左侧塑性区宽度为3m，此时最有利于巷道围岩控制。

现场实践结果表明：8301回风顺槽内错煤柱8m布置并采用“锚网索”联合支护后，巷道顶底及两帮相对移近量最大值分别为85.24mm和178.36mm，巷道围岩控制效果显著。

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