淺埋近距離煤層群上下煤層同采巷道布置優(yōu)化＊

李福勝

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.中國(guó)神華國(guó)際工程有限公司，北京市東城區(qū)，100007）

在神東地區(qū)賦存大量淺埋深煤層群，煤層間距由10 m至40 m不等。由于埋深較淺，巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)不同于普通深井巷道，而多數(shù)礦井采用上下煤層同采才能達(dá)產(chǎn)，兩近距離煤層同采過(guò)程中，其應(yīng)力場(chǎng)相互影響，因此，淺埋深上下同采工作面巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，根據(jù)該特點(diǎn)確定合理巷道布置方式對(duì)降低支護(hù)難度、保證礦井高產(chǎn)高效有重要意義。我國(guó)許多學(xué)者對(duì)不同地質(zhì)條件下巷道布置方式進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，索永錄、魯印英、李世昌、李斌等對(duì)極近距離、高瓦斯、急傾斜等不同條件下煤層群下層煤工作面巷道合理布置位置進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，但對(duì)于淺埋深上下煤層同采工作面鮮有研究。本文針對(duì)神華李家豪煤礦2－2煤層和3－1煤層同采時(shí)巷道的合理布置問(wèn)題進(jìn)行研究，分析了不同布置方式、不同錯(cuò)距條件下的應(yīng)力場(chǎng)，為淺埋近距離煤層巷道合理布置提供了理論依據(jù)。

1 工程概況

李家壕礦井田賦存多層可采煤層，傾角1°～3°，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，煤層埋深80～400 m；該礦煤層柱狀圖如圖1所示。2－2上煤層、2－2下煤層和3－1上煤層都不穩(wěn)定，為零星可采煤層，2－2中煤層和3－1煤層為主采煤層。礦井投產(chǎn)初期需要600萬(wàn)t／a才能達(dá)產(chǎn)，2－2煤層和3－1煤層同采才能滿足生產(chǎn)要求。2－2中煤層可采厚度0.80～4.75 m，平均2.02m，首采工作面為11208工作面。3－1煤層自然厚度0.75～8.23 m，平均4.08 m，可采厚度0.80～7.05 m，平均3.86 m。首采工作面為12108工作面，采用單一傾斜長(zhǎng)壁后退式全部垮落綜合機(jī)械化俯斜開(kāi)采的采煤方法。

圖1 李家壕煤礦煤層柱狀圖

2 巷道布置方式的選擇

在煤層開(kāi)采之后，2－2煤層頂?shù)装鍛?yīng)力重新分布，頂?shù)装鍘r體發(fā)生位移變形，甚至破壞。工作面后方已經(jīng)開(kāi)采的區(qū)域頂板巖層的重量會(huì)移至其四周未被采動(dòng)煤巖層上，因此采空區(qū)周?chē)纬芍С袎毫?，分別為移動(dòng)性支承壓力、固定支承壓力和采空區(qū)支承壓力。11208工作面巷道外幫煤壁受側(cè)向支承壓力區(qū)的影響，存在應(yīng)力峰值，內(nèi)幫為減壓區(qū)，如圖2所示。

圖2 上煤層開(kāi)采后側(cè)向支承壓力

由于下煤層厚度為上煤層的2倍，選擇巷道布置方式時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮下煤層回收率及巷道維護(hù)難易程度。

若3－1煤層巷道選擇內(nèi)錯(cuò)式，其巷道將布置于減壓區(qū)下方，應(yīng)力不大，巷道易于施工和維護(hù)。但回采過(guò)程中受上煤層采動(dòng)影響劇烈，位移量較大，而且當(dāng)采用錨桿支護(hù)巷道時(shí)巷道不會(huì)得到有效的錨固，支護(hù)效果很差，巷道維護(hù)較困難，工作面長(zhǎng)度有所縮短，資源回收率降低。若采用重疊式，回采期間巷道頂板受應(yīng)力集中較大，且煤柱處于上煤層形成的高剪應(yīng)力區(qū)，礦壓顯現(xiàn)劇烈，給下煤層回采巷道的掘進(jìn)及維護(hù)會(huì)帶來(lái)很大影響。若采用外錯(cuò)式，下煤層巷道將位于上煤層形成的側(cè)向支承壓力區(qū)，應(yīng)力集中不利于巷道維護(hù)，但工作面長(zhǎng)度加大，回采率高，煤炭損失量小。

經(jīng)上述分析，選擇外錯(cuò)式布置方式較合理，3－1煤層煤柱尺寸減小，使得其回收率提高。由于2－2煤層較薄，其側(cè)向支承壓力不大，應(yīng)力集中系數(shù)也不太大。因此選用外錯(cuò)式布置方式時(shí)外錯(cuò)距離是關(guān)鍵，合理的外錯(cuò)距離能使下煤層巷道避開(kāi)應(yīng)力峰值區(qū)域，降低巷道維護(hù)難度。

3 巷道合理錯(cuò)距數(shù)值模擬分析

為研究李家豪礦下煤層巷道外錯(cuò)合理距離，建立FLAC3D數(shù)值模型。根據(jù)李家豪礦實(shí)際地質(zhì)資料，將模型中力學(xué)性質(zhì)相近且厚度較小的巖層互相組合，建立走向300 m、傾向200 m、高度150 m的數(shù)值模型。模型上邊界埋深為50 m，在其上方施加1.25 MPa的垂向載荷表示松散層自重。

圖3所示為12108工作面推進(jìn)方向上巷道頂?shù)装宕怪睉?yīng)力分布規(guī)律。模擬中，巷道共開(kāi)挖了100 m，上煤層工作面推進(jìn)至50 m時(shí)分析對(duì)下層巷道應(yīng)力分布影響。由圖3可知，上工作面開(kāi)采對(duì)下巷道不同錯(cuò)距時(shí)頂?shù)装鍛?yīng)力分布影響變化較明顯，以采空區(qū)后方巷道底板的應(yīng)力變化特征對(duì)不同錯(cuò)距時(shí)下層巷道頂?shù)装鍛?yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行研究。單層開(kāi)采時(shí)巷道底板應(yīng)力等值線呈 “枕形”分布，且分布較均勻；煤層群同采下層巷道外錯(cuò)4 m時(shí)處于上層煤采空區(qū)后方的巷道底板應(yīng)力等值線出現(xiàn)向下凸的現(xiàn)象，整個(gè)巷道底板應(yīng)力等值線呈一側(cè)高的“馬鞍形”分布，如圖3（a）所示；隨著外錯(cuò)距離的增大，等值線下凸現(xiàn)象逐漸消失，當(dāng)錯(cuò)距16 m時(shí)底板等值線基本已恢復(fù) “枕形”分布，如圖3（b）、3（c）、3（d）所示。

圖3 12108工作面巷道垂直應(yīng)力分布俯視圖

可見(jiàn)上層工作面采動(dòng)對(duì)下層巷道底板的卸壓范圍會(huì)產(chǎn)生影響，以應(yīng)力降低40%為卸壓界限，外錯(cuò)距離越大底板巷道底板卸壓深度逐漸減小。如圖4所示，單層開(kāi)采時(shí)卸壓深度為3.28 m，4 m錯(cuò)距時(shí)卸壓深度最大為6.59 m，10 m錯(cuò)距時(shí)為3.60 m，12 m錯(cuò)距時(shí)為3.40 m，16 m錯(cuò)距時(shí)卸壓深度最小為3.32 m，卸壓深度減小的速度越來(lái)越小，12 m錯(cuò)距以上時(shí)卸壓深度變化幅度已非常小，工作面采動(dòng)對(duì)巷道底板卸壓發(fā)育深度影響趨于消失。由此確定12 m為3－1煤巷道合理的外錯(cuò)距離。

圖4 12108工作面巷道底板垂直應(yīng)力分布曲線

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果

根據(jù)理論和模擬的分析結(jié)果，李家豪12108工作面巷道外錯(cuò)上煤層11208工作面12 m布置，如圖5所示。

圖5 11208和12108工作面巷道布置示意圖

巷道表面變形觀測(cè)是在材料巷進(jìn)行的，材料巷超前支護(hù)約40 m，變形觀測(cè)時(shí)間70 d，共獲得了300多個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)。對(duì)這些觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理分析，繪出了巷道移近量及移近速度圖。巷道內(nèi)第1＃，2＃，3＃，4＃，5＃，6＃，7＃測(cè)點(diǎn)距工作面距離分別為20 m，30 m，40 m，50 m，60 m，70 m，80 m，其頂?shù)装搴蛢蓭拖鄬?duì)移近量及移近速度的觀測(cè)結(jié)果如圖6、圖7所示。

由以上數(shù)據(jù)可知，12108工作面材料巷道表面在回采期間在超前支護(hù)的作用下，臨近工作面頂?shù)装寮皟蓭臀灰屏考拔灰扑俣却螅S著距離越來(lái)越遠(yuǎn)，當(dāng)接近60 m時(shí)采動(dòng)影響已經(jīng)很弱，當(dāng)距離工作面80 m時(shí)，巷道圍巖位移不明顯，位移速度已經(jīng)很小，說(shuō)明巷道已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。另外，當(dāng)工作面回采時(shí)，各個(gè)測(cè)站斷面的頂?shù)装逡平亢蛢蓭褪諗孔冃瘟吭诠ぷ髅娓浇容^明顯，頂?shù)装迨諗孔冃蜗鄬?duì)兩幫移近量來(lái)說(shuō)要大一些，說(shuō)明盡管頂板已經(jīng)進(jìn)行錨網(wǎng)支護(hù)，但頂?shù)装鍑鷰r破壞應(yīng)力仍然較大，礦山壓力顯著，所以在回采工作中要及時(shí)關(guān)注巷道變化，加強(qiáng)工作面前方超前支護(hù)強(qiáng)度。當(dāng)遠(yuǎn)離工作面時(shí)，無(wú)論是頂?shù)装暹€是兩幫位移及移動(dòng)速度都基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，可見(jiàn)12108工作面回采巷道與上層回采巷道外錯(cuò)12 m能夠滿足工作面正常推進(jìn)的要求，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)采用的支護(hù)方式也起到了很好的效果，較好地維護(hù)了工作面巷道的穩(wěn)定性。

圖6 巷道圍巖位移

圖7 巷道圍巖移進(jìn)速度

5 結(jié)論

（1）通過(guò)理論分析，確定了外錯(cuò)式巷道布置方式最適合于李家豪煤層群上下煤層同采工作面，下煤層巷道應(yīng)避開(kāi)上煤層工作面巷道側(cè)向支承壓力峰值區(qū)域。

（2）通過(guò)數(shù)值模擬，確定下煤層巷道外錯(cuò)12 m為合理錯(cuò)距，由巷道應(yīng)力云圖可知，外錯(cuò)12 m以上時(shí)，巷道在采掘影響下圍巖應(yīng)力基本與單層煤開(kāi)采特征一致。

（3）李家豪采用外錯(cuò)12 m的巷道布置方式不僅提高了3－1煤層的回收率，而且巷道在采掘過(guò)程中滿足生產(chǎn)、安全要求。

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