近距离下位煤层巷道位置及支护方案应用研究.pdf

862023 年第 9 期收稿日期 2023-02-28作者简介 李海鹏（1981），男，河南平顶山人，2022 年毕业于河南理工大学采矿工程专业，本科，工程师，现就职于平煤集团十二矿，从事采掘管理技术工作，研究方向：矿业工程。近距离下位煤层巷道位置及支护方案应用研究李海鹏（中国平煤神马集团十二矿，河南 平顶山 467000）摘 要 平煤十二矿己16-17煤层埋深大且近距离上位煤层大部分已采空，综合运用矿压监测、理论计算、数值模拟等方法，对下位煤层巷道合理布置位置及支护方案展开研究。结果表明：己16-17-31020 回风巷外错上位采空区遗留煤柱 25 m 布置，掘巷阶段顶板离层量小于 10 mm，围岩控制效果良好，可为类似条件下下位煤层巷道的位置选择及支护设计提供借鉴。关键词 大埋深：近距离；煤巷；外错中图分类号 TD353 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.09.027Research on the Position and Support Scheme Application of Close Distance Lower Position Coal Seam RoadwaysLi Haipeng(China Pingmei Shenma Group No.12 Mine,Henan Pingdingshan 467000)Abstract:The Ji16-17 coal seams in Pingmei No.12 Coal Mine are deeply buried and most of the upper coal seams in close distance are mined out.By comprehensively using methods such as mine pressure monitoring,theoretical calculation,and numerical simulation,the research is conducted on the reasonable layout position and support scheme of the lower coal seam roadway.The results show that the Ji16-17-31020 return air roadway is arranged in a staggered outward at the left coal pillars in the upper goaf by 25 m,and the roof layer separation amount during the roadway excavation stage is less than 10 mm.The surrounding rock control effect is good,which can provide reference for the location selection and support design of lower coal seam roadways under similar conditions.Key words:large buried depth;close distance;coal roadway;staggered outward李海鹏：近距离下位煤层巷道位置及支护方案应用研究1 工程概况平煤股份十二矿己16-17-31020 回风巷为己16-17-31020采面的回风系统，巷道位于三水平西翼上部，南邻己16-17-17200 采空区，北邻己15-31040 采空区，东邻己七二期四条下山，西邻十矿、十二矿井田边界。巷道上部己15-31020采空区及己15-31040采空区，与己15煤层层间距 812 m，如图 1。己16-17煤层平均厚度 1.9 m，顶底板岩性见表 1。己16-17-31020 回风巷位于己15煤层采空区下方，埋深 948 m，采用直角梯形断面，巷道宽度 5.4 m。为提高其围岩稳定性，需对其与上覆采空区区段煤柱空间合理位置及支护方案展开研究。图 1 己16-17-31020 回风巷位置详情（m）表 1 己16-17煤层顶、底板情况表顶底板名称岩石类别普氏系数 f厚度/m岩性基本顶灰色细粒砂岩794.8顶部有少量斑块夹砂质泥岩含云母片直接顶灰色砂质泥岩351.612含云母碎片和植物化石直接底灰色砂质泥岩365.5含云母碎片和植物化石，上部有0.30.6 m 泥岩基本底细粒砂岩794细粒砂岩872023 年第 9 期李海鹏：近距离下位煤层巷道位置及支护方案应用研究2 内错巷道围岩变形特征己16-17-31041 运输巷位于己15-31010 工作面采空区下方，与己15煤层层间距 812 m，开采技术条件、地质条件与己16-17-31020 回风巷基本一致，内错区段煤柱 10 m 布置，直角梯形断面，低帮高度约 2.5 m，高帮高度约 3.5 m，采用锚网索支护，支护详情如图 2（a），掘巷期间表面变形曲线如图 2（b）。成巷 1244 d 期间围岩变形速度较快，成巷48 d 后围岩变形减缓，顶底板及两帮移近量分别达到 241 mm、432 mm。分析可知，由于巷道埋深大，上覆采空区影响下顶板破碎严重，加之上方区段煤柱应力集中的影响，己16-17-31041 运输巷围岩破碎、地应力大，导致巷道围岩出现较严重的变形破坏，且多处锚杆出现破断、脱锚等现象，巷道与上覆采空区遗留煤柱的空间位置及支护设计不合理，无法控制围岩的变形失稳。（a）己16-17-31041 运输巷支护断面 （b）变形特征图 2 己16-17-31041 运输巷支护及变形特征3 采空区下回采巷道合理位置分析下位煤层工作面回采巷道布置方式分为内错式、重叠式及外错式1-2。内错式布置时，工作面长度较短，煤柱宽度过大、回采率低、资源浪费。结合己16-17-31041 运输巷工程实践教训，该布置方式不利于下位回采巷道的支护，因此己16-17-31020 回采面巷道不考虑采用内错式布置方式。采用重叠式布置方式时，下位煤层与上位煤层回采巷道竖直方向上重叠布置，下位煤层回采巷道应力集中明显，己16-17煤埋深大、回采巷道断面大，高应力作用下易引起围岩的过度变形失稳。采用外错式布置方式时，下位煤层回采工作面倾斜长度较大，有利于提高工作面回采率。为避免遗留煤柱对巷道围岩稳定造成严重影响，需确定回采巷道与上位煤层区段煤柱的合理距离。己15煤层采空区遗留区段煤柱宽度为 7 m，结合矿井实际条件，设计己16-17-31020 工作面与上覆己15-31020 采空区采用外错式布置方式。为避免上覆遗留煤柱影响下层回采巷道围岩稳定，己16-17-31020 工作面两侧回采巷道应布置在己15煤层遗留煤柱底板应力影响区域之外，与己15煤层回采巷道的水平距离最小值可通过下式进行计算3：Xmin=LB+lcot （1）式中：l 为煤层间距，取 812 m；为上覆煤层遗留煤柱压力影响角，为 40；LB为上位煤层开采对采空区下岩层的水平破坏范围，基于滑移线场理论计算得到其数值为 10.6 m。由式（1）计算可得Xmin变化范围为 20.124.88 m。由此可知，己16-17-31020 回风巷与上覆己15煤层采空区区段煤柱水平距离应不小于 24.88 m，设计己16-17-31020 工作面运输巷及回风巷与上覆煤柱边缘的水平距离为 25 m。4 回采巷道锚网索支护模拟分析己16-17-31020 回风巷外错上部己15煤层区段煤柱 25 m 布置，巷道正上方对应己15煤层采空区，围岩较破碎。为考察巷道布置空间层位的合理性及支护的效果，运用 FLAC3D计算机模拟分析软件建立图 3 所示的三维模型4，分析不同支护方案条件下围岩的变形破坏特征。以己16-17-31020 运输巷的工程实际为原型，己15煤层与己16-17煤层间岩层厚度为 8 m，模型几何尺寸长、宽、高=500 m、340 m、110 m，采用库伦摩尔本构模型进行计算。己15煤层厚度为 1.5 m，回采工作面间区段煤柱宽度为7 m，己16-17煤层厚度 1.9 m，模拟时首先进行上部己15煤层回采工作面的开挖，计算平衡后进行下部己16-17回风巷的开挖与支护。图 3 数值计算模型882023 年第 9 期结合平煤十二矿回采巷道原有支护方案，初步设计三种巷道支护方案，所用锚杆、锚索规格相同，顶锚杆 22 mm2600 mm，锚索 22 mm6500 mm，帮 锚 杆 20 mm2400 mm。方 案 一：顶锚杆间排距 700 mm800 mm，锚索间排距 1400 mm1600 mm，帮锚杆750 mm800 mm；方案二：较方案一将两帮锚杆排距增大为 1000 mm，顶板锚索间距减小为 1200 mm；方案三：较方案一将顶板锚索间距减小为 1200 mm。通过数值模拟计算得到上述三种支护方案条件下己16-17回风巷外错 25 m 掘进时巷道表面最大变形量见表 2。分析可知，不同支护方案条件下，掘巷阶段巷道表面变形量存在较大的差异。总体而言，三个支护方案条件下，巷道表面变形量均在设计允许的合理范围内。由此说明，将己16-17回风巷外错上覆采空区遗留煤柱 25 m 布置较合理，有利于围岩稳定。支护方案一条件下，巷道表面变形量相对较大，方案三条件下巷道表面变形量最小。结合矿井实际工程地质条件，设计采用支护方案三来控制巷道围岩的变形。表 2 巷道围岩表面位移变化特征 mm支护方案顶板底板左帮（低帮）右帮（高帮）方案一945167119方案二77425995方案三583250685 己16-17-31020 回风巷支护及效果分析结合上述理论分析计算及数值模拟研究结果，将己16-17回风巷布置在己15-31040 采空区下方，与遗留煤柱边缘的平距为 25 m，沿己16-17煤层顶板掘进，具体支护方案如图 4（a）。在己16-17回风巷掘巷阶段布设围岩变形量及顶板离层量监测站，监测结果如图 4（b）、（c）。监测的前 24 d 内巷道表面变形量增长迅速，在 2442 d，巷道表面变形速度逐渐减小为零，在 4260 d，顶底板、两帮移近量不再变化，顶底板移近量稳定在 56 mm，两帮移近量稳定在 81 mm，表面变形量微小，满足工程实际的要求。根据顶板离层指示仪测量数据可知，掘巷阶段顶板岩层发生轻微的离层，深部与浅部基点离层值存在微小的差值，表明顶板整体性和稳定性良好。综上可得，己16-17回风巷外错 25 m 时巷道得到了较好控制。（a）支护断面 （b）表面位移量 （c）顶板离层情况图 4 巷道支护及矿压监测结果6 结语以平煤十二矿己16-17-31020回风巷为工程背景，基于理论分析计算结果并结合现场实际条件，确定下位煤层回采巷道外错上区段遗留煤柱25 m布置，通过数值模拟分析确定最佳的支护方案参数，验证了巷道布置方位的合理性，己16-17-31020 回风巷掘巷阶段围岩控制效果良好。【参考文献】1 陈朋磊，陈鑫源，刘欢欢，等.近距离煤层回采巷道合理位置确定应用研究 J.能源与环保，2022，44（05）：262-269.2 化秀峰.近距离煤层群采动后底板应力分布及回采巷道布置 J.能源与节能，2022（04）：15-17.3 熊祥林.大埋深近距离下位煤层回采巷道布置及围岩控制研究 D.徐州：中国矿业大学，2021.4 史智元.大埋深高应力回采巷道支护技术研究 J.煤矿现代化，2020（05）：8-11.