近距離煤層采空區下巷道支護優化設計

周陽，馬曉龍

（國家能源集團寧夏煤業有限責任公司，寧夏銀川 750000）

0 引言

煤炭一直占據我國能源主體地位，2022 年國家統計局官方發布的數據顯示，在我國工業發電量中火電占比仍在穩定增長。這得益于近年來全國范圍內原煤產量的快速增長，產量連年刷新歷史新高，未來對煤炭資源的需求更是只增不減。然而，隨著煤炭資源持續高產采出，我國中、淺埋煤炭資源尤其中東部礦區資源逐漸枯竭[1]。為了持續高效利用現有煤炭資源，結合我國煤層特有賦存形式，近年來加大近距離煤層的開采力度[2-3]。

近距離煤層通常指煤層層間距小于或等于10 m 范圍內的煤層群[4-6]，近距離煤層開采通常采用下行開采方式。在上部煤層開采以及開采結束后遺留煤柱應力疊加作用下，底板（下部煤層的頂板） 會因應力重新分布產生塑性破壞，回采巷道安全掘進，回采過程穩定性降低，影響煤炭資源有效采出。針對近距離煤層開采諸多問題，朱利軍[7]針對賀西近距離煤層孤島工作面運輸巷圍巖變形嚴重且難以控制等難題，利用FLAC3D 對巷道進行優化設計，現場實踐效果明顯；任玉龍[8]等針對大佛寺近距離煤層現工作面回采距離不夠、上煤層采空等問題，提出了運輸巷外錯，回風巷內錯布置的方法，實踐研究表明，工作面無明顯應力顯現現象；蘭紅[9]等為研究近距離煤層圍巖失穩問題，以林東煤業近距離煤層回采巷道為研究對象，利用FLAC3D 數值模擬分析了上位煤層開采對底板應力影響及圍巖破壞情況；王泓博[10]等為了研究上位煤層遺留煤柱對下部煤層回采巷道布局的影響，從理論計算、編程計算、數值模擬多方面進行研究，分析得出了采空區下煤柱與巷道合適的錯距區間，現場實踐效果良好。以上學者從采空區下巷道應力演化規律、近距離煤層開采圍巖控制技術兩個方面進行了細致研究，然而由于近距離煤層巷道掘進回采過程中存在諸多不確定性因素，本文結合雙馬一礦下煤層巷道支護情況，對12 號煤層12201 工作面回采巷道進行支護優化設計。

1 概況

國家能源集團寧夏煤業有限責任公司雙馬一礦現主采11 號、12 號近距離煤層，11 號煤層位于12 號煤層上方，12 號煤層埋深550 m，11 號煤層與12 號煤層平均間距為6.7 m，采用下行開采，11號煤層厚度為1.25 ～4.23 m，平均厚度為2.51 m；12 號煤層厚度為2.67 ～5.46 m，平均厚度為4.5 m。上下煤層都采用自然垮落法處理采空區。11 號煤層101 和102 工作面都已采完，留有20 m 區段煤柱。12 號煤層回采巷道外錯7 m 布置在上煤層區段煤柱下方，采用這種布置方式，巷道掘進速度快，可以將錨桿索錨固在穩定煤層中，有利于煤炭高效安全開采。12201 工作面運輸巷設計為巷寬4 m、巷高3.5 m 的矩形巷道，沿12 號煤層頂板掘進。12201 工作面運輸巷空間位置如圖1 所示。

圖1 運輸巷空間位置Fig.1 Space position of transportation roadway

2 數值模擬分析

2.1 模型建立

根據礦井地質條件，通過FLAC3D 數值模擬軟件對11 號煤層、12 號煤層及巷道進行局部建模，在模型上部邊界施加9.65 MPa 壓應力，側壓系數取1.2，重力加速度取10 m/s，模型建立情況如圖2 所示。

圖2 數值計算模型Fig.2 Numerical calculation model

2.2 運輸巷掘巷及工作面回采應力分布情況

先開挖11 號煤層，待11 號煤層采空區穩定再進行12201 運輸巷開挖模擬，模型平衡后得出巷道垂直應力分布如圖3 所示。

圖3 掘巷垂直應力分布Fig.3 Vertical stress distribution of excavation roadway

由圖3 可知，運輸巷外錯7 m 布置在區段煤柱下方，由于遺留煤柱的影響，煤柱高應力區向煤層底板擴散至運輸巷附近，煤柱底板由于高應力作用發生塑性破壞，巷道幫部存在明顯的應力集中現象。

最后對模型進行12201 工作面開挖模擬，進一步觀察運輸巷在多重擾動作用下應力分布情況。模型平衡后得出巷道垂直應力分布如圖4 所示。

圖4 工作面回采應力分布Fig.4 Stress distribution of face mining

受12201 工作面回采影響，巷道采空區側處于應力降低區，實體煤幫側向支承壓力高達28.7 MPa，而掘巷期間實體煤幫側向支承壓力為16.7 MPa，可見在該工作面回采及掘巷、上工作面回采殘余支承壓力疊加作用下，實體煤幫側向支承應力大幅度升高，在高應力持續作用下，巷道圍巖必將發生更大范圍的塑性破壞。

2.3 運輸巷道破壞過程

根據現場觀測并結合數值模擬分析可知，導致巷道發生大范圍破壞的原因為巷道在成巷及回采期間受到多重擾動影響。①由于11 號煤層回采以及采空區穩定遺留煤柱的影響，對底板尤其煤柱下方的底板造成一定程度的破壞，在12 號煤層回采時，該工作面頂板是上一煤層回采結束形成的破碎頂板；②在運輸巷掘巷期間，煤柱底板下方存在大范圍的應力升高區，巷道兩幫出現不對稱高應力峰值區；③12201 工作面回采期間，巷道采空區側處于應力降低區，而實煤體側因多重擾動影響而出現更大范圍的應力升高區，巷道圍巖變形嚴重。

3 巷道支護優化設計

3.1 初始支護方案對比分析

根據礦井作業規程，運輸巷成巷期間，巷道采用常規錨桿索支護，錨桿間排距800 mm×1000 mm；錨索間排距1600 mm×2000 mm，根據現場巷道變形情況來看，當前支護結構無法滿足工作面回采需要。

3.2 優化設計方案及模擬

由于12201 工作面運輸巷外錯7 m 布置在區段煤柱下方，且巷道靠近11101 煤柱幫的緣故，導致巷幫出現應力分布不對稱現象，因此對巷道幫部進行差異化強支護。在原支護方案中，加強巷道兩幫支護，尤其是實體煤幫支護，同時要加大錨桿索支護密度，優化后的支護方案如圖5 所示。

圖5 支護優化方案Fig.5 Support optimization scheme

優化支護方案中，錨桿索間排距改為800 mm×800 mm，錨索間排距1600 mm×1600 mm，頂錨桿改為6 支，角錨桿傾斜15°。兩幫都采用全錨索支護，采空區幫鋪打2 根垂直于巷幫的錨索，實煤體幫鋪打3 根錨索，上排角錨索15°，下排角錨索下俯5°。

根據優化設計方案，利用FLAC3D 軟件進行錨桿索預應力模擬，巷道優化支護后最大主應力云圖如圖6 所示。

圖6 優化支護后最大主應力云圖Fig.6 The maximum principal stress cloud diagram after optimized support

可以看出，優化支護設計，能夠在圍巖周圍形成多層承載結構，錨固深度較優化之前明顯提升一倍。由于實體煤幫比采空區幫支護密度高，所以右側錨固范圍更大。優化支護設計，有效控制圍巖塑化，防止塑性區向深部延展。

3.3 現場應用監測效果

現場采用優化支護方案后，對巷道頂板、兩幫布置測點進行圍巖變形監測，如圖7 所示。

圖7 巷道圍巖變形監測Fig.7 Surrounding rock deformation monitoring of roadway

采用優化支護方案之后，巷道圍巖變形量得到明顯控制，兩幫圍巖變形穩定在300 mm，頂板變形量穩定在200 mm，圍巖控制效果良好。

4 結論

（1） 運輸巷掘進模擬結果表明，11 號煤采空區穩定后，由于遺留煤柱的影響，煤柱高應力區向煤層底板擴散至運輸巷附近，煤柱底板由于高應力作用發生塑性破壞，巷道幫部出現了明顯的應力集中現象。

（2） 12201 工作面回采模擬結果表明，受12201 工作面回采影響，巷道采空區側處于應力降低區，在多重擾動作用下實體煤幫側向支承壓力明顯升高。

（3） 通過對巷道支護進行優化設計，巷道錨固范圍明顯擴大，有效控制了巷幫及頂板的圍巖變形量，防止圍巖進一步向深部塑化破壞。