论文部分内容阅读
【摘 要】 为解决近距离煤层采空区巷道围岩控制困难、变形严重的问题，本文以山西某矿地质条件为基础，对采空区下巷道围岩控制技术进行了研究。文章采用数值模拟方法对上层煤底板应力分布特征进行了分析，确定底板高应力区域主要在煤柱中线附近，基于此结果将下层煤巷道布置在煤柱边缘位置，并对巷道支护方案与补强支护方案进行了设计。研究结果可提高巷道稳定性，对于矿井的安全生产具有重大意义。
【关键词】 近距离煤层;采空区;应力特征;围岩控制
【中图分类号】 TD823 【文献标识码】 A
【文章编号】 2096-4102（2019）03-0017-03 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
近距离煤层群在煤炭资源中占有很大的比例，随着资源的逐渐减少，许多煤矿开始重视近距离煤层的开采，但在开采过程中，剧烈矿压显现、围岩变形严重等问题，制约着矿井的安全生产。一般开采近距离煤层群时，先对上层煤进行开采，然后在下层煤布置回采工作面，上层煤由于残余有大量煤柱，在煤柱周围存在着高应力环境，对下层煤巷道的稳定产生较大影响。许多研究人员提出将下层煤回采巷道布置在应力降低区。但在实际生产实践中，巷道受回采影响仍出现大量的变形。因此针对具体条件下巷道布置方式与围岩控制措施的研究十分必要。本文以山西某矿地质条件为基础，对近距离煤层采空区下工作面巷道围岩控制措施进行了研究，从而提高巷道的稳定性。
1矿井概况
山西某矿开采煤层为4、5号煤层，煤层的厚度分别为5m、4m，两层煤均为近水平煤层。5号煤的埋藏深度平均为230m，与4号煤间距为4～7m，各煤层顶底板条件如图1所示。由于5号煤层5101工作面布置时与上覆4号煤层4203工作面采空区重合，并且巷道均处于上覆煤柱下方，因此巷道围岩所处的力学条件较为复杂。上、下层煤位置关系如图2所示。
2工作面长度与顶板载荷分析
为分析上层4号煤层开采结束后在煤柱周围底板的应力分布规律，以各煤层地质条件为基础，建立数值模型。模型中，4号煤层模拟厚度为5m，5号煤层模拟厚度为4m，煤层间距按最小的4m进行计算，由于两煤层倾斜角度均较小，因此在模拟中不加入煤层倾斜因素的影响。图3为煤柱下方底板应力的等值线图。
从图3（a）中可以看出，上层煤开采后，垂直应力均在煤柱内部两侧出现应力集中现象，应力峰值达到17MPa，与煤柱边界距离约为4.5m。在煤柱下方，深度越大，该位置的垂直应力越小;在采空區下方，垂直应力随着底板深度的增大不断增大，而在底板相同深度的层位时，垂直应力的峰值位于煤柱的中部下方区域，与中部的距离越大，应力越小。
从图3（b）中可以看出，上层煤开采后，水平应力与垂直应力的分布特征有一定的差异，水平应力的峰值并没有出现在煤柱的内部，而是处于靠近煤柱的底板岩层中。水平应力大小同样随着底板深度的增大而不断减小，在同一层位水平应力的最大值出现在煤柱中心线，与中心线距离越大，水平应力越小。
根据对煤柱下方底板的应力分析结果，若下层煤巷道处于上层煤柱的正下方位置，巷道将会受到高应力环境的影响，不利于对巷道围岩的控制，而从上图中可以发现在煤柱的边界处是底板应力由大变小的分界点，因此基于数值模拟分析结果，将下层煤巷道布置在煤柱边界靠近上层煤采空区处。
3采空区下巷道围岩控制措施
3.1围岩控制原则
（1）由于巷道上方为上层煤采空区冒落岩块，并且顶板岩层受到采动影响完整性较差，因此顶板岩层的下沉与破坏会比较严重，巷道在支护过程中需加大对顶板的控制。
（2）图4为下层煤巷道掘进后两帮内部应力分布曲线图，从图中可以看出，巷道两侧处于不同的应力坏境中，靠近煤柱一侧巷道内围岩压力要比采空区下一侧大，因此巷道两侧的变形具有一定的不对称性，容易在巷道顶角产生塑性破坏，巷道支护方式应加强对顶角的支护。
3.2巷道支护方案
5101工作面回采巷道采用相同巷道设计，巷道的断面形状均为矩形，宽度为3.4m，高度为2.6m，以回风巷道为基础，设计巷道支护方案如下：
（1）顶板支护：顶板锚杆的长度为2.4m，直径为20mm，相邻两根锚杆的距离设计为750mm，相邻两排锚杆的距离设计为800mm。锚索的设计长度为4.5m，直径为17.8mm，相邻两根锚索的距离为1500mm，相邻两排锚索的距离为1600mm，靠近两帮的锚杆与竖直方向的夹角为15°。金属网形状为菱形，网格大小为100mm，网片宽度为3600mm，长度为900mm，安装时搭接长度为100mm。
（2）巷帮支护：两帮锚杆参数与顶板参数相同，锚杆的支护密度进行改变，相邻两根锚杆的距离为700mm，相邻两排锚杆的距离为800mm，接近顶底板的锚杆与水平夹角为20°。金属网形状为菱形，网格大小为100mm，网片的宽度为2700mm，长度为900mm，安装时搭接长度为100mm。巷道支护断面如图4所示。
3.3补强支护方案
4号煤与5号煤层之间的距离为4～7m，当两层煤之间的距离大于5m时，锚索可以打入顶板中，若两层煤之间的距离小于5m，无法在顶板打锚索支护，因此需要采取其他补强支护方案。
（1）当层间距为4～5m时，在巷道内安设单体支柱对顶板进行支撑，从而减轻顶板下沉在两端角的剪切力，单体支柱间、排距均设计为1m。
（2）由于层间距的减小，原锚索长度无法打入顶板中，因此需对锚索长度进行缩减，锚索长度变为4m，确保锚索能够稳定在顶板完整岩层中。
（3）由于巷道两帮处于不同的应力环境中，在煤柱侧巷帮承受应力较高，煤体易出现破坏，因此需对煤柱侧帮进行补强支护，在相邻两排锚杆的中间增加两根锚索，锚索之间的距离为1400mm，垂直于巷道侧帮。 3.4支护效果分析
确定支护方案后，在5101工作面现场进行了实践，并记录了巷道围岩的变形情况，如图5所示。
从图中可以看出，在工作面推进的过程中，随着工作面与测站之间的距离减小，巷道表面围岩出现的变形情况在加剧，当工作面推进到测站时，围岩变形量达到最大，此时顶底板的变形量为240mm，两帮的变形量为480mm。巷道围岩的变形主要表现为两帮变形，但变形量均在可控制范围内，表明该支护方案具有着较好的效果。
4结论
（1）采用数值模拟方法分析了上层煤开采后底板岩层内部的应力分布情况，随着底板深度的增大，岩层应力水平逐渐减小，同一层位应力的最大值位于煤柱中线，与煤柱中线距离越大，应力越小，因此将下层煤巷道布置在煤柱边缘地区。
（2）基于数值模拟分析结果，设计了5101工作面回采巷道支护方案与补强支护方案，主要通过加单体支柱、调整锚索长度以及在巷道煤柱帮侧打锚杆等措施对巷道进行补强支护。
【参考文献】
[1]张百胜.极近距离煤层开采围岩控制理论及技术研究[D].太原：太原理工大学，2008.
[2]张百胜，杨双锁，康立勋，等.极近距离煤层回采巷道合理位置确定方法探讨[J].岩石力学与工程学报，2008（1）：97-101.
[3]张华磊.采场底板应力传播规律及其对底板巷道稳定性影响研究[D].北京：中国矿业大学，2011.
[4]陈炎光，钱鸣高.中国煤矿采场围岩控制[M]徐州：中国矿业大学出版社，1994.
[5]高建军，张忠温.平朔矿区近距离煤层采空区下巷道支护技术研究[J].煤炭科学技术，2014，42（5）：1-4，8.
[6]孔德中，王兆会，任志成，等.近距离煤层综放回采巷道合理位置确定[J].采矿与安全工程学报，2014，31（2）：270-276.
[7]李豐领.煤矿开采中的巷道布置及采煤技术分析[J].山西能源学院学报，2018，31（1）：3-5.
[8]辛兵.近距离煤层采空区下液压支架工作阻力的确定[J].山西能源学院学报，2018，31（03）：21-24.
[9]曹东升.云冈矿极近距离煤层采空区下巷道支护技术实践[J].煤炭科学技术，2015，43（S1）：73-75，79.
【关键词】 近距离煤层;采空区;应力特征;围岩控制
【中图分类号】 TD823 【文献标识码】 A
【文章编号】 2096-4102（2019）03-0017-03 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
近距离煤层群在煤炭资源中占有很大的比例，随着资源的逐渐减少，许多煤矿开始重视近距离煤层的开采，但在开采过程中，剧烈矿压显现、围岩变形严重等问题，制约着矿井的安全生产。一般开采近距离煤层群时，先对上层煤进行开采，然后在下层煤布置回采工作面，上层煤由于残余有大量煤柱，在煤柱周围存在着高应力环境，对下层煤巷道的稳定产生较大影响。许多研究人员提出将下层煤回采巷道布置在应力降低区。但在实际生产实践中，巷道受回采影响仍出现大量的变形。因此针对具体条件下巷道布置方式与围岩控制措施的研究十分必要。本文以山西某矿地质条件为基础，对近距离煤层采空区下工作面巷道围岩控制措施进行了研究，从而提高巷道的稳定性。
1矿井概况
山西某矿开采煤层为4、5号煤层，煤层的厚度分别为5m、4m，两层煤均为近水平煤层。5号煤的埋藏深度平均为230m，与4号煤间距为4～7m，各煤层顶底板条件如图1所示。由于5号煤层5101工作面布置时与上覆4号煤层4203工作面采空区重合，并且巷道均处于上覆煤柱下方，因此巷道围岩所处的力学条件较为复杂。上、下层煤位置关系如图2所示。
2工作面长度与顶板载荷分析
为分析上层4号煤层开采结束后在煤柱周围底板的应力分布规律，以各煤层地质条件为基础，建立数值模型。模型中，4号煤层模拟厚度为5m，5号煤层模拟厚度为4m，煤层间距按最小的4m进行计算，由于两煤层倾斜角度均较小，因此在模拟中不加入煤层倾斜因素的影响。图3为煤柱下方底板应力的等值线图。
从图3（a）中可以看出，上层煤开采后，垂直应力均在煤柱内部两侧出现应力集中现象，应力峰值达到17MPa，与煤柱边界距离约为4.5m。在煤柱下方，深度越大，该位置的垂直应力越小;在采空區下方，垂直应力随着底板深度的增大不断增大，而在底板相同深度的层位时，垂直应力的峰值位于煤柱的中部下方区域，与中部的距离越大，应力越小。
从图3（b）中可以看出，上层煤开采后，水平应力与垂直应力的分布特征有一定的差异，水平应力的峰值并没有出现在煤柱的内部，而是处于靠近煤柱的底板岩层中。水平应力大小同样随着底板深度的增大而不断减小，在同一层位水平应力的最大值出现在煤柱中心线，与中心线距离越大，水平应力越小。
根据对煤柱下方底板的应力分析结果，若下层煤巷道处于上层煤柱的正下方位置，巷道将会受到高应力环境的影响，不利于对巷道围岩的控制，而从上图中可以发现在煤柱的边界处是底板应力由大变小的分界点，因此基于数值模拟分析结果，将下层煤巷道布置在煤柱边界靠近上层煤采空区处。
3采空区下巷道围岩控制措施
3.1围岩控制原则
（1）由于巷道上方为上层煤采空区冒落岩块，并且顶板岩层受到采动影响完整性较差，因此顶板岩层的下沉与破坏会比较严重，巷道在支护过程中需加大对顶板的控制。
（2）图4为下层煤巷道掘进后两帮内部应力分布曲线图，从图中可以看出，巷道两侧处于不同的应力坏境中，靠近煤柱一侧巷道内围岩压力要比采空区下一侧大，因此巷道两侧的变形具有一定的不对称性，容易在巷道顶角产生塑性破坏，巷道支护方式应加强对顶角的支护。
3.2巷道支护方案
5101工作面回采巷道采用相同巷道设计，巷道的断面形状均为矩形，宽度为3.4m，高度为2.6m，以回风巷道为基础，设计巷道支护方案如下：
（1）顶板支护：顶板锚杆的长度为2.4m，直径为20mm，相邻两根锚杆的距离设计为750mm，相邻两排锚杆的距离设计为800mm。锚索的设计长度为4.5m，直径为17.8mm，相邻两根锚索的距离为1500mm，相邻两排锚索的距离为1600mm，靠近两帮的锚杆与竖直方向的夹角为15°。金属网形状为菱形，网格大小为100mm，网片宽度为3600mm，长度为900mm，安装时搭接长度为100mm。
（2）巷帮支护：两帮锚杆参数与顶板参数相同，锚杆的支护密度进行改变，相邻两根锚杆的距离为700mm，相邻两排锚杆的距离为800mm，接近顶底板的锚杆与水平夹角为20°。金属网形状为菱形，网格大小为100mm，网片的宽度为2700mm，长度为900mm，安装时搭接长度为100mm。巷道支护断面如图4所示。
3.3补强支护方案
4号煤与5号煤层之间的距离为4～7m，当两层煤之间的距离大于5m时，锚索可以打入顶板中，若两层煤之间的距离小于5m，无法在顶板打锚索支护，因此需要采取其他补强支护方案。
（1）当层间距为4～5m时，在巷道内安设单体支柱对顶板进行支撑，从而减轻顶板下沉在两端角的剪切力，单体支柱间、排距均设计为1m。
（2）由于层间距的减小，原锚索长度无法打入顶板中，因此需对锚索长度进行缩减，锚索长度变为4m，确保锚索能够稳定在顶板完整岩层中。
（3）由于巷道两帮处于不同的应力环境中，在煤柱侧巷帮承受应力较高，煤体易出现破坏，因此需对煤柱侧帮进行补强支护，在相邻两排锚杆的中间增加两根锚索，锚索之间的距离为1400mm，垂直于巷道侧帮。 3.4支护效果分析
确定支护方案后，在5101工作面现场进行了实践，并记录了巷道围岩的变形情况，如图5所示。
从图中可以看出，在工作面推进的过程中，随着工作面与测站之间的距离减小，巷道表面围岩出现的变形情况在加剧，当工作面推进到测站时，围岩变形量达到最大，此时顶底板的变形量为240mm，两帮的变形量为480mm。巷道围岩的变形主要表现为两帮变形，但变形量均在可控制范围内，表明该支护方案具有着较好的效果。
4结论
（1）采用数值模拟方法分析了上层煤开采后底板岩层内部的应力分布情况，随着底板深度的增大，岩层应力水平逐渐减小，同一层位应力的最大值位于煤柱中线，与煤柱中线距离越大，应力越小，因此将下层煤巷道布置在煤柱边缘地区。
（2）基于数值模拟分析结果，设计了5101工作面回采巷道支护方案与补强支护方案，主要通过加单体支柱、调整锚索长度以及在巷道煤柱帮侧打锚杆等措施对巷道进行补强支护。
【参考文献】
[1]张百胜.极近距离煤层开采围岩控制理论及技术研究[D].太原：太原理工大学，2008.
[2]张百胜，杨双锁，康立勋，等.极近距离煤层回采巷道合理位置确定方法探讨[J].岩石力学与工程学报，2008（1）：97-101.
[3]张华磊.采场底板应力传播规律及其对底板巷道稳定性影响研究[D].北京：中国矿业大学，2011.
[4]陈炎光，钱鸣高.中国煤矿采场围岩控制[M]徐州：中国矿业大学出版社，1994.
[5]高建军，张忠温.平朔矿区近距离煤层采空区下巷道支护技术研究[J].煤炭科学技术，2014，42（5）：1-4，8.
[6]孔德中，王兆会，任志成，等.近距离煤层综放回采巷道合理位置确定[J].采矿与安全工程学报，2014，31（2）：270-276.
[7]李豐领.煤矿开采中的巷道布置及采煤技术分析[J].山西能源学院学报，2018，31（1）：3-5.
[8]辛兵.近距离煤层采空区下液压支架工作阻力的确定[J].山西能源学院学报，2018，31（03）：21-24.
[9]曹东升.云冈矿极近距离煤层采空区下巷道支护技术实践[J].煤炭科学技术，2015，43（S1）：73-75，79.