王村煤业上下极近距离回采巷道合理布置及支护技术研究.pdf

JinnengHoldiand Technologycience2023年6 月21第3 期（总19 1期）晋控科学技术王村煤业上下极近距离回采巷道合理布置及支护技术研究张曦（山西省煤炭规划设计院（集团)有限公司，山西太原0 3 0 0 45）摘要：上下极近距离煤层上煤层开采后对下煤层巷道位置和支护方式的选择有重要影响，采用理论计算、离散元模拟和现场应用对晋能控股煤业集团王村煤业有限责任公司下煤层回采巷道的合理位置及巷道支护方案进行研究。利用UDEC分别对比确定下部回采巷道的合理位置为采空区下部。根据模拟位置和现场调研确定了巷道支护方案为锚杆索+钢筋梯子梁，现场施工效果良好，确保了矿井的安全高效生产关键词：采空区；支护技术；巷道布置；近距离煤层中图分类号：TD353文献标识码：A文章编号：10 0 0-48 6 6(2 0 2 3)0 3-0 0 2 1-0 4D0I:10.19413/ki.14-1117.2023.03.005近年来，随着开采强度的扩大，大同煤田侏罗系煤炭资源日益枯竭，深部石炭一二叠系煤层受到高度重视。大同矿区石炭一二叠系可采煤层具有埋深大、层数多、上下相邻煤层距离小、煤层变化大等特点，导致了上下极近距离煤层开采的一系列问题I-2。受回采影响，上煤层回采后对围岩和煤柱的支护压力会转移到下煤层，导致下煤层出现高应力区。由于上煤层的开采对极近下煤层巷道及回采的影响，导致下煤层巷道支护困难，形成了不稳定的围岩结构，上煤层煤岩体结构的重新分布破坏下煤层巷道的支护稳定结构。基于上覆煤层开采后对下煤层回采巷道布置的影响，选择晋能控股煤业集团王村煤业有限责任公司（简称“王村煤业”)作为工程背景，系统地讨论了上覆煤层开采后，下煤层回采巷道的合理位置及下煤层回采巷道支护技术方案4-5 1王村煤业上下极近距离煤层简介王村煤业3*煤层目前正在开采中，平均厚度5.3m，倾角2，埋深43 0 m。3 煤层上方为已开采的4煤层。4煤层平均厚度为7.5 m，平均倾角为3。现主采的3 煤和已开采的4煤相距最小0.7 m，最大2 0 m，平均10 m左右。王村煤业8 3 0 5 工作面布置在3 煤层中，厚0.0 5 2.15 m，煤平均厚6.1m，夹研岩性多为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩，局部有煌斑岩。其中影响较大的断层有9 条，断层落差1.6 6.0 m，影响较小的断层3 条，断层落差0.5 m左右。2煤柱荷载传递模型为计算工作面顶板来压间距，根据王村煤业8 3 0 5工作面实际情况，计算了煤层上部底板破坏深度。本文采用基于弹性力学的滑移线场理论，建立底板破坏示意图，如图1所示。K,yH2CBDKHE(a）理论模型19.2m3.0m7.7m36540三二(b）形态分布图1煤层回采底板破坏理论模型2023年第3 期JinnengHoldiiceandTechnology22晋控科学技术在上端开采煤柱边缘形成的高应力将通过底板岩层向下传递。当下部巷道设计在高应力范围内时，煤柱高应力和采动压力的双重扰动会加剧围岩的变形破坏。根据煤层回采底板破坏理论建立力学模型，研究上端回采煤柱荷载传递规律，如图1(a)所示。AB段原煤距离煤柱边缘较远，其荷载按地应力计算将桥台应力范围BD简化为两个线性荷载，将DE段应力简化为均布荷载，模拟采空区研石。根据该模型，得到确定上煤层底板最大破坏深度H,计算公式如下：LcosH.e(1)maxT+2cos42式中：L为超前支承压力峰值与工作面之间的距离，m；为底板内摩擦角。应力分布分别为主动应力区域、过渡区域和被动应力区域。上层煤层的开采导致底板岩层的位移和最大破坏深度，最终形成一条与上煤层底板平行的线。根据现场矿压监测数据，超前支承压力峰值在工作面前方约7.7 m处。上煤层底板为粉砂岩，内摩擦角为10。代人（1)式可得上煤层底板最大破坏深度为14m，得到了采空区底板的形态破坏分布如图1(b)所示，为后续巷道位置的确定和支护参数提供了参考。3采空区下煤层巷道布置位置确定根据王村煤业8 3 0 5 工作面实际地质参数，建立UDEC数值模型，采空区参数与上层煤相同，只是将采空区的本构模型替换为双屈服模型，该模型的长、宽、高分别为40 0 m、3 6 0 m、16 0 m。模拟回采实际工作面长度为3 0 0 m。在模型周围的水平运动受到限制，在模型底部的垂直运动受到限制。图2 中三条黑色区域分别表示三层煤。分别模拟将3*煤层巷道布置在煤柱下、采空区下靠近煤柱处和采空区下的应力分布特征。图2模型边界条件JOBTITLE:UDEC(Version4.00)4.500LEGEND)29-Mar-2318:3620MPacycl2071603.199E+01x8.263E+013.5002.723E+01y5.091E+0115MPaXXstresscntourcontourinterval=5.000F+063.000E40710-5.000F:+062.500hlockplol5.MPa1.50)5MPa5.MPa0.500)lasea Consuling GroupIne.Minneapolis,Minnesota liSA3.51X04.5005.5006.5007.50X)(a)水平应力JOBTTTLE:UDEC(Version4.00)4.5X)L.FGF.NIY29-Mar-2318:36ryrle2071602.896E+01x7.960E+013.50-7.931E+01Ky4.985E+01XXstnesseantour20MParomlourinterval=5.000E+062500-2.500F+071t00.000F:+0)blek plof15MPa1.50XY10MPa0.500ltasea Consulting Group.InoMinteapolis.Minnescta SA3.50)4.5005.506.5007.500(b）垂直应力图3巷道布置在煤柱下图3 可知巷道布置在煤柱下时，巷道附近的水平应力达到5 MPa，垂直应力较大，达到了10 MPa，切向应力较小仅2 MPa，巷道两帮发生了拉伸破坏，左帮的拉伸破坏比右帮严重，巷道顶底板没有出现破坏。JOBTTILE:UDEC(Version4.00)IFND29Mat2318:36r2071608.180F401XK1.222E+022(82F+014253F+01interad-5(X0f.+(6-4.500E+0710000F+0)llxkplkat20MPa5MPa5MPa(a）水平应力2023年第3 期张曦：王村煤业上下极近距离回采巷道合理布置及支护技术研究23JOBTITL.F:UDEC.(Version4.00)LECFND29Mar-2318:36cwle2071607.860F:+01x1.298F.+0210MPa-6.965E+01S4.428E+01XXstrssrontourcontourinterval=5.000F.+0615MPa-2.500F+07100.00E+0010MPa.bilockplot(b）垂直应力图4巷道布置在采空区下靠近煤柱由图4可知巷道布置在采空区下靠近煤柱处时，巷道附近的水平应力达到5 MPa，垂直应力较大，达到了10 MPa，切向应力较小，达到了2 4MPa，巷道顶底板没有发生破坏,左右两帮出现了塑性变形，但没有发生拉伸破坏。JOBTITLE:UDEC(Version4.00)LECFND)29-Mar-2320:36rycle2071601.296F+021.775F+024.554E+014.826E+01omourinlerval=5.000E+06-3.000F+0710.0.000E+00)15MPablockplot5MPa5MPa(a)水平应力JOBTITLE:UDEC(Version4.00)LECEND29-Mar-2321:36eyr-le207160)1.296F+0211.775F+024.554h+01y4.826F+018MPaYXstressconoureuntourintenal-2.0X0F+062MPa-1.00E+07t04.000E+066MPaOMPahlorck plotOMPa4MPaO.MPa(b）垂直应力图5巷道布置在采空区下由图5 可知当巷道布置在采空区下时，巷道附近的水平应力为5 MPa，垂直应力和切向应力均为0MPa，巷道顶底板和左右两帮均没有发生任何塑性变形和拉伸破坏。通过上述三种3*煤层巷道不同位置的应力分布数值模拟比较和理论分析，最终确定3 煤巷道的合理位置，即将巷道布置在上位煤层开采完后的采空区下方，使3 煤层巷道位于4煤层的底板卸压区中，巷道沿3#煤层顶板掘进，矩形巷道，巷道宽4.2 m，高2.8 m。为确定合理的巷道布置位置，以低于原岩应力的1.0 MPa作为边界，分析巷道距离煤柱边缘至采空区方向合理的平面法向距离。分析可知当至煤层底板距离小于3.0m时，煤柱底板支承压力峰值较大，煤柱边缘至中心线方向距离3.0 5.0 m范围为支承压力峰值区域，巷道布置于此区域维护难度最大，合理的巷道布置需距煤柱边缘距离在5.0 m以上。43支护方案（1）顶板锚杆+锚索支护：顶板采用长度为2 2 0 0mm，直径为2 0 mm的锚杆6 根，间排距为8 0 0 mm800mm，采用直径为17.8 mm，长度为5 3 0 0 mm锚索2 根，锚杆和锚索预紧力分别为5 0 kN和10 0 kN，锚杆和锚索锚固力分别2 0 0 kN和2 5 0 kN。(2）两帮支护：帮锚杆为4根直径2 0 mm、长度2 m的高强锚杆配合钢筋梯子梁联合支护，梯子梁长度2.6m，选用16 号圆钢，锚杆间排距8 0 0 mmx800mm。5矿压观测及支护效果采用十字交叉法对巷道表面位移进行观测，在巷顶板中部及帮部距底板约5 0 0 mm处设置基点。巷道顶帮变形量曲线和速度曲线如图6 所示。140顶板下沉量两帮移近量1201008060402000102030405060巷道掘出天数/dJinnengHoldid Technology2023年第3 期24晋控科学技术30顶板下沉速度两帮移近速度25201510500102030405060巷道掘出天数/d图6巷道表面位移曲线由图6 可知，巷道掘进初期，巷道表面变形较快，巷道顶板最大下沉量达到了7 5 mm，两帮移近量达到112mm。变形速度较大，顶板最大值13 mm/d,两帮最大值达到了2 5 mm/d。巷道稳定后，两帮最大移近量为12 4mm，顶板最大下沉量为8 5 mm。6结论(1)对比了上覆煤层开采后下煤层巷道布置在煤柱下部、采空区下部和采空区靠近煤柱处三种不同位置时的应力和塑性区的变化，确定下部回采巷道的合理位置为采空区下部。(2)将巷道布置在上位煤层开采完后的采空区下方，使3*煤层巷道位于4煤层的底板卸压区中，巷道沿3煤层顶板掘进，矩形巷道，巷道宽4.2 m，高2.8 m，支护方案为锚杆索+钢筋梯子梁，现场施工效果良好。参考文献1李松峰,陈军锋.极近距离煤层下行开采巷道围岩支护技术研究矿业安全与环保,2 0 2 2,49(0 2):12 7-13 1.2谷文伟,高召宁,李颜.极近距离煤层综放开采工作面覆岩“两带”发育规律研究J.中国安全生产科学技术,2 0 2 2,18(0 5):13 5-142.3张宁波,刘长友,陈宝宝,等.极近距离煤层下位厚煤层综放煤研放落流动规律及放煤工艺参数确定J.采矿与安全工程学报,2 0 2 1,3 8(0 5);911-918.4谷攀,李彦斌,李立功,等.极近距离煤层采空区下过煤柱回采巷道破坏特征及控制对策研究J.太原理工大学学报,2 0 2 0,5 1(0 4):5 8 7-5 9 3.5李晓斌,何富连,秦宾宾,等.极近距离煤层回采巷道围岩分类与支护研究J.矿业科学学报,2 0 2 0,5(0 3):3 2 5-3 3 3.作者简介张曦（19 8 7-）男，工程师，主要从事煤矿开采及设计工作，E-mail:收稿日期：2 0 2 2-0 7-13Research on Reasonable Layout and Support Technology ofExtremely Close Mining Roadway in Wangcun Coal IndustryZhang Xi(Shanxi Coal Institute of Planning&Design(Group)Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi 030045)Abstract:The mining of the upper coal seam in the upper and lower extremely close coal seams has an importantimpact on the selection of the roadway location and support mode of the lower coal seam.The reasonable location androadway support scheme of the mining roadway of the lower coal seam in Wangcun coal industry of Jinneng Holding CoalIndustry Group are studied by using theoretical calculation,discrete element simulation and field application.UsingUDEC,the reasonable position of the lower mining roadway is determined to be the lower part of the goaf.According tothe simulated location and on-site investigation,the roadway support scheme is determined as anchor cable andreinforced ladder beam.The on-site construction effect is good,ensuring the safe and efficient production of the mine.Key words:Goaf;Support technology;Roadway layout;Close coal seams