近距离煤层巷道支护优化设计与应用范文

摘要：针对中兴煤矿近距离煤层开采巷道支护难的问题，采用理论分析、数值模拟的方式，对下位煤层4503工作面运输巷位置与支护方式进行研究。结果表明：当内错距离增大时，运输巷围岩应力也逐渐变大，确定合理的内错距离为30m。结合非对称支护对策，对原支护方式进行优化设计，监测显示：运输巷顶底板和两帮移近量累计分别达到241mm和319mm，之后趋于稳定。巷道变形最终稳定，总体支护效果良好。

关键词：近距离煤层；数值模拟；围岩应力；非对称支护

近距离煤层开采指的是煤层间距较小，在煤炭开采过程中，上下两层会产生应力场互相影响，如先期对下分层进行开采，由于煤层距离较近，在矿压作用下，下层煤会受到上层煤采空区积水、瓦斯以及应力场互扰的威胁，同时还会造成下层煤顶板破碎下沉，巷道难以支护的问题。国内学者对极近距离下煤层巷道布置与支护进行了大量的研究，取得了良好的效果，本文以中兴煤矿4402工作面运输巷为例，采用理论分析、数值模拟等方式，确定下层煤合理支护方式，对巷道围岩控制起到很好的支护作用，为同类矿井提供了一定的借鉴意义。

1概况

中兴煤矿位于吕梁山脉中段东翼，距交城县城约10km，全井田面积约19.9km2。井田中部、南部位置相对较低，其它方位较高，最高点绝对标高+1535m，最低点绝对标高+990m。全井田按上下组煤划分两个开采水平。目前2号煤层已采完，现阶段在开采下煤组4（4+5）号煤层，水平标高设在+680m，与2号煤平均距离仅3.4m，最小间距2.5m，最大间距8.9m。该煤层4503工作面平均厚度5.3m，煤层倾角平均11°，2号煤层残留煤柱48m，含1～2层夹矸，顶板岩性为泥岩、炭质泥岩，底板岩性为砂质泥岩、泥岩。

2运输巷围岩变形影响因素

经资料查阅与巷道施工情况，影响4503工作面运输巷稳定性因素有3个。（1）巷道顶底板围岩状态差，围岩强度遇水极易降低，顶板松散破碎，2号煤与4（4+5）号煤属极近距离煤层，层间岩层主要由泥岩和炭质泥岩为主，受上层煤2200工作面与1202工作面采动影响，4503工作面运输巷处在破坏带范围内，巷道围岩损伤严重，围岩强度已受到严重影响，由于煤层埋深大，巷道围岩应力水平依然较高，运输巷布置在2200工作面采空区下方，巷道围岩以泥岩为主，应力承载能力极差。（2）受上层煤多次采动影响，应力重复扰动，加剧巷道围岩变形。4503工作面运输巷开挖前，巷道顶板已处在上位工作面底板破坏范围内，破碎严重，开挖后，首先受2200上位工作面采动扰动，又遭受本工作面的采动影响，反复多重作用下，围岩稳定性较难保证。（3）从4503工作面运输巷所处地质条件看，巷道处于非均匀应力状态，原有对称支护结构已很难控制巷道围岩变形。当上位煤层开采后，受多重应力扰动，巷道各个部位应力状态差别较大，围岩处于非均匀应力状态。巷道即表现出非线性力学特性，常规的巷道支护对称设计极易出现应力集中现象，造成巷道局部破坏严重，严重时导致整个支护结构的失稳。

3运输巷位置合理布置

3.1数值模型

建立2200工作面与1202工作面已回采结束，为了解上位工作面对下位4503工作面运输巷布置的影响，最终确定运输巷与上位煤柱的具体位置关系，巷道在能够满足生产情况下，尽可能减小受采动影响，简化支护形式，减少支护成本。采用FLAC3D数值模拟软件进行模拟，模型长×宽×高为200m×100m×90m，共划分98800个单元，采用摩尔－库仑本构模型进行计算。

3.2方案设计

在改变巷道与煤柱相对位置情况下，观察巷道围岩变形情况，确定不同层间距下巷道受采动影响较小的最小内错距离。设计层间距分别为3、5、8、10和12m，内错距5、10、15、20、25、30和35m。3.3数值模拟结果分析结合数值模拟方案，在上位煤柱与4503工作面运输巷不同位置关系情况下，绘制巷道表面位移曲线。

4工程应用及效果

4.1支护优化方案

根据围岩变形主要因素分析与数值模拟结果，为保证巷道掘进速度和控制围岩变形，决定采用锚网索+U型钢支护方式。其中锚网索作为基础支护，U型钢作为补强支护，锚索选用高预应力，规格φ22mm×3400mm，巷道顶板间排距为1400mm×1500mm，巷道两帮的间排距为1500mm×1200mm。选用左旋无纵筋螺纹钢锚杆，其规格为φ22mm×2500mm，巷道顶板的间排距为800mm×80mm，巷道两帮的间排距为900mm×1000mm。选用三心拱斜腿可缩性支架U型钢，间排距均为1000mm。

4.2应用效果

为了跟踪记录优化后支护效果，现场实施围岩变形位移与应力监测，并绘制变化曲线，如图3～图4所示。为期130d监测期间，运输巷顶底板和两帮移近量累计分别达到241和319mm，130d后围岩整体变形趋于稳定。运输巷锚索应力监测显示，前20d监测期间，锚索受力急剧上升，之后缓慢下降，最终趋于稳定，但相对仍维持在较高应力水平。巷道变形最终稳定，总体支护效果良好。

5结论

（1）4503工作面运输巷处于非均匀应力状态，巷道表现出非线性力学特性，原有对称支护结构已很难控制巷道围岩变形，常规的巷道支护对称设计极易出现应力集中现象，造成巷道局部破坏严重，导致整个支护结构的失稳。（2）当内错距离增大时，运输巷围岩应力也逐渐变大，而两帮移近量逐渐降低，并逐渐区域平稳。最终确定运输巷合理的内错距离为30m。（3）采用优化支护方案后，为期130d监测显示，运输巷顶底板和两帮移近量累计分别达到241和319mm，之后趋于稳定。运输巷锚索受力先上升，之后缓慢下降，最终趋于稳定。巷道变形最终稳定，总体支护效果良好。

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作者：陈晋蜀 单位：山西焦煤汾西矿业中兴煤矿