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 近距離煤層回采巷道布置合理位置研究（煤炭）

                      張  蓓¹  張  陟²  彭  敏³

（1．山西省國新能源發(fā)展集團有限公司，山西省太原市，030006；2．寧夏回族自治區(qū)吳忠市國土資源局，寧夏回族自治區(qū)吳忠市，751100：3．新疆工程學院基礎(chǔ)教研部，新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市，830023）

摘  要  以木瓜礦為工程背景，揭示了上覆煤層開采后煤柱下方圍巖應(yīng)力分布規(guī)律，研究表明，距離上覆區(qū)段煤柱垂直距離越小的區(qū)域，內(nèi)部應(yīng)力集中程度越高，集中范圍越小。模擬了煤層間距為2m和10 m條件下，上覆區(qū)段煤柱下回采巷道的合理位置。提出了回采巷道采用高預緊力錨桿配合單體支柱的超前支護方案，現(xiàn)場實踐效果良好。

關(guān)鍵詞  近距離煤層巷道布置巷道支護   中圖分類號  TD353   

1  上覆煤層開采對下部煤巖體的擾動影響

    本文以木瓜礦為例，采用了理論分析和數(shù)值模擬的方法，對近距離煤層回采巷道合理布置位置進行了研究。

    木瓜礦9^#煤層和10^#煤層為主采煤層，9^#煤層平均埋藏深度273.2 m，其位于10^#煤層上方，在西二盤區(qū)兩煤層間距僅為2～10 m，研究區(qū)域內(nèi)9^#煤層已開采完9 -101工作面和9-103工作面，兩工作面之間留有寬度為20 m的區(qū)段煤柱，如圖1所示，9^#煤層工作面開采后引起巖層移動影響著下履10^#煤層的工作面及回采巷道的布置。

    9^#煤層的9 -101和9-103工作面回采結(jié)束后，遺留的區(qū)段煤柱下方出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，處于該區(qū)域內(nèi)的巷道會受到上覆煤層開采的影響。根據(jù)土力學知識，建立了均布載荷q作用在半無限直線變形體表面上的力學模型，如圖2所示，對巖層中任意一點的垂直應(yīng)力值進行了求解，其表達式如下：

將式(2)代入Ma tlab軟件中可得到如圖3所示的垂直應(yīng)力集中系數(shù)等值線分布圖。從圖中可以看出，距離9^#煤層區(qū)段煤柱垂直距離越大的區(qū)域，內(nèi)部應(yīng)力集中程度越低，但應(yīng)力集中范圍越大。相反，距離9^#煤層區(qū)段煤柱垂直距離越小，內(nèi)部應(yīng)力集中程度越高，集中范圍越小。對于同樣埋藏深度的巖體，煤柱中心線下方垂直應(yīng)力最大。在區(qū)段煤柱的邊緣附近，應(yīng)力隨位置改變而發(fā)生的變化最為顯著。

2距上覆煤柱不同水平距離時回采巷道變形破壞的數(shù)值模擬

2,1  數(shù)值模型的建立

    采用FLAC3D模擬了10 -105工作面回風平巷距9^#煤層區(qū)段煤柱不同水平距離時巷道變形破壞規(guī)律。結(jié)合木瓜礦的具體采礦地質(zhì)條件，煤層間距為2m和10 m時計算模型尺寸分別為450 m×108.7 m（高×寬）和450 m×116.7 m（高×寬），模型上邊界施加4.3 M Pa的均布載荷，左右邊界約束水平方向位移，下邊界約束豎直方向位移，各巖層參數(shù)見表1。

2.2模擬結(jié)果分析

    在9 -101和9-103工作面推進過程中，采空區(qū)底板巖層會產(chǎn)生應(yīng)力集中，當其大于巖體的抗剪或抗拉強度時，巖體會產(chǎn)生塑性變形和破壞，在數(shù)值計算中會出現(xiàn)塑性區(qū)。9#煤層開采引起的垂直應(yīng)力集中區(qū)域位于煤柱及煤柱下方，因此在掘進10 -103和10 -105回采巷道時，巷道處于較高的垂直應(yīng)力場中，當煤層間距分別為2m和10 m時，煤柱正下方10#煤層內(nèi)最大應(yīng)力集中系數(shù)分別達到4.9和2.8。隨著10 -105回風平巷距離煤柱中心線水平距離的增加，應(yīng)力集中系數(shù)越來越小，當巷道中心線距離煤柱中心線水平距離為10 m時，10 -105回風平巷左幫（見圖1）已位于采空區(qū)下方的垂直應(yīng)力降低區(qū)域，垂直應(yīng)力顯著降低，并且左幫和右?guī)蛻?yīng)力狀態(tài)有明顯差別，在工程實踐中也發(fā)現(xiàn)煤柱側(cè)巷道收斂變形顯著大于另外采空區(qū)側(cè)，支護體更易發(fā)生破壞。隨著10 -105回風平巷到煤柱中心線水平距離的繼續(xù)增大，巷道兩幫垂直應(yīng)力過渡到應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，明顯低于原巖應(yīng)力值。這是因為在煤柱的支撐作用下，采空區(qū)頂板不能完全下沉冒落，采空區(qū)一側(cè)存在懸空區(qū)域，下部煤層回采巷道圍巖垂直應(yīng)力較小，當繼續(xù)靠近采空區(qū)中心時，上分層采場頂板下沉將壓力傳遞到底板，垂直應(yīng)力開始上升，如圖4所示。

    從圖4曲線上可以看出，在距離煤柱中心線35 m左右的地方，巷道兩幫垂直應(yīng)力開始上升。所以，對處于同樣埋深的巖體而言，到煤柱中心線的水平距離越遠，受上煤層擾動程度越小，應(yīng)力集中程度越低，應(yīng)力狀態(tài)越趨于緩和。巷道應(yīng)盡量避免布置在垂直應(yīng)力集中較嚴重的煤柱下方，而應(yīng)盡量布置在老頂懸空靠近采空區(qū)下方，綜合考慮煤層間距為2m和10 m時的情況，合理位置為距煤柱中心線水平距離15～30 m。為提高采出率，盡量減小10 -105回風平巷和10 -103運輸平巷之間的煤柱寬度，10 -105回風平巷最佳位置選擇在巷道中心線距上覆煤柱中心線水平距離15 m處。

3巷道圍巖穩(wěn)定性控制方案

    數(shù)值模擬結(jié)果表明，在10^#煤層的10 -105工作面回采過程中，回風平巷煤柱側(cè)應(yīng)力集中程度顯著大于另外一側(cè)，回采巷道超前支護采用高預緊力錨桿配合單體液壓支柱支護方案，其中單體液壓支柱位于回采巷道靠近煤柱側(cè)。以煤層間距為2m時，10^#煤層的10 -105回風平巷支護為例說明。巷道斷面為矩形，設(shè)計尺寸為4.2 m×2.6 m，沿煤層底板掘進，巷道中心線到上覆煤柱中心線的水平距離為15 m，支護方案見圖5。

    頂板支護采用2列單體液壓支柱配合長1800mm的鋼梁（11^#工字鋼），支柱間排距為850 mm×700 mm。頂錨桿、幫錨桿為018 mm×2000mm高強度無縱筋左旋螺紋鋼錨桿，錨固力大于5t，預緊扭矩大于150 N．m，頂錨桿間排距為850 mm×700 mm，幫錨桿間排距為1000 mm×700 mm，上方幫錨桿和下方幫錨桿分別距巷道頂?shù)装?/font>300 mm，每根錨桿采用CK2340和22388藥卷各一支，同時配合使用12^#鉛絲菱形金屬網(wǎng)。