淺埋厚煤層下分層綜放面巷道布置研究*

張學(xué)亮

(天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京市朝陽區(qū)，100013)

★ 煤炭科技·開拓與開采 ★

淺埋厚煤層下分層綜放面巷道布置研究*

張學(xué)亮

(天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京市朝陽區(qū)，100013)

基于神東活雞兔井淺埋厚煤層下分層綜放開采實(shí)際，采用理論分析和數(shù)值模擬等方法分析確定下分層巷道布置采用外錯(cuò)布置，合理錯(cuò)距為4 m。通過現(xiàn)場實(shí)測巷道使用效果表明，巷道頂板垂直位移最大8 mm、頂板離層量最大8 mm，滿足下分層綜放工作面安全生產(chǎn)要求。

淺埋煤層 綜放工作面 下分層開采 巷道布置

隨著我國綜放開采技術(shù)的發(fā)展，綜放開采一次整層開采厚度達(dá)到20 m以上，神東地區(qū)侏羅系煤層具有韌性高、硬度大的特點(diǎn)，長期以來以綜采為主進(jìn)行開采，單層最大厚度約10 m。神東柳塔礦在不穩(wěn)定厚硬煤層條件下采用ZFY10200/25/42型兩柱掩護(hù)式放頂煤支架綜放開采3～8.5 m、平均7.3 m厚煤層取得成功，榆林地區(qū)雙山和神樹畔等煤礦采用ZFY17000/27/50型兩柱掩護(hù)式放頂煤支架綜放開采8～10 m厚煤層取得成功，回收率達(dá)到80%以上。

大柳塔煤礦活雞兔井2盤區(qū)1-2煤層復(fù)合區(qū)，煤層埋深為76～106 m，屬于淺埋深，煤層總厚10 m 左右。該復(fù)合區(qū)煤層采用分層開采，上分層已進(jìn)行了回采，2001年3月至2006年5月先后回采了復(fù)合區(qū)內(nèi)上分層的北翼12上201、12上203、12上205、12上207、12上209 5個(gè)工作面，南翼12上208、12上206、12上204、12上202 4個(gè)工作面。上分層開采采用綜采工藝，采高為3.5～4.0 m。上分層綜采回采時(shí)底板局部下凹或頂煤局部留設(shè)過厚，且回采時(shí)未采取鋪網(wǎng)等人工制造假頂措施，在這種條件下準(zhǔn)備回采下分層煤層。

近距離煤層群或厚煤層下分層工作面在開采過程中引起回采空間周圍巖層應(yīng)力重新分布，不僅在回采空間周圍的煤柱上易造成應(yīng)力集中，而且該應(yīng)力將向底板巖層深部傳遞，造成布置在底板巖層中或近距離厚煤層中的巷道變形急劇增大。因此上下層工作面的位置關(guān)系與回采巷道布置的問題是一個(gè)難題。因此，確定下分層工作面合理的采煤方法和巷道布置方式是活雞兔下分層工作面回采成功的關(guān)鍵。

1 現(xiàn)場概況

大柳塔煤礦活雞兔井1-2煤層復(fù)合區(qū)下分層首采12下202工作面區(qū)域煤層厚度9.63～10.35 m，平均厚度10.0 m。上分層已采厚度3.46～4.92 m，平均4.45 m；下分層剩余厚度為5.08～6.54 m，平均5.46 m，埋深63.4～99.3 m，煤層底板以泥巖為主，粉砂巖次之。

12上202工作面上覆基巖厚度42.3～86.4 m，工作面長度為232 m，工作面兩平巷寬度均為5.5 m，12上202工作面運(yùn)輸巷側(cè)煤柱寬度為20 m，回風(fēng)巷側(cè)煤柱寬度為31 m，該面已于2005年回采完畢。

12下202工作面采用綜放開采，工作面實(shí)際長度為249.8 m，工作面推進(jìn)長度為1124 m；割煤高度3.49 m，放煤高度2.02 m，采放比為1∶0.57；工作面截深0.8 m，放煤步距0.8 m，采用一刀一放開采工藝。工作面配套設(shè)備為JOY7LS6C/LWS738采煤機(jī)、ZFY10200/25/40D型兩柱放頂煤支架136架(支護(hù)強(qiáng)度1.08～1.11MPa)、JOY 2×1050kW型刮板輸送機(jī)2部、SZZ1350/700型轉(zhuǎn)載機(jī)及PLM5000A型破碎機(jī)。

2 下分層巷道布置方式

下分層開采時(shí)，工作面巷道布置主要取決于下分層礦壓顯現(xiàn)情況及下分層巷道支護(hù)的難易程度等，一般下分層巷道布置有內(nèi)錯(cuò)布置、外錯(cuò)布置、垂直布置、平移布置等方式。內(nèi)錯(cuò)布置方式是下分層平巷在上分層工作面的內(nèi)側(cè)，形成正梯形煤柱，下分層工作面區(qū)段煤柱尺寸變大，而工作面長度縮短，如圖1(a)所示；垂直布置是下分層平巷在上分層平巷的垂直下方，能夠保證下分層工作面的長度，但增加了下分層工作面巷道支護(hù)的難度，如圖1(b)所示；外錯(cuò)布置是下分層平巷在上分層工作面的外側(cè)，煤柱成倒梯形，下分層區(qū)段煤柱尺寸變小，可保證工作面的長度，如圖1(c)所示；平移布置是下分層工作面相對(duì)上分層工作面整體平移，將下分層工作面平巷和區(qū)段煤柱留設(shè)于上分層工作面采空區(qū)下，如圖1(d)所示。

圖1 下分層巷道布置方式示意圖

通過對(duì)多個(gè)礦區(qū)厚煤層下分層或近距離煤層下分層巷道布置情況看，內(nèi)錯(cuò)布置方式運(yùn)用較多，外錯(cuò)布置相對(duì)較少。上層煤開采后或者上下煤層群聯(lián)合開采時(shí)，下層煤回采工作面及兩工作面巷道均要受到上層煤工作面開采后造成的強(qiáng)烈礦壓影響。采用外錯(cuò)布置，下層煤工作面巷道處于上層煤遺留煤柱的應(yīng)力增高區(qū)內(nèi)，工作面尤其是兩巷道維護(hù)與掘進(jìn)一般比較困難，巷道返修率高，維護(hù)成本大幅度增加，安全隱患增加；且下分層煤柱尺寸變小，可保證工作面的長度。采用內(nèi)錯(cuò)布置時(shí)，下煤層工作面巷道處于上煤層遺留煤柱的應(yīng)力影響增高區(qū)外，應(yīng)力相對(duì)較低，維護(hù)難度及成本相對(duì)較低，且下分層煤柱尺寸變大，工作面長度縮短。垂直布置可以看作內(nèi)錯(cuò)布置內(nèi)錯(cuò)距離為零的特殊情況，在上下煤層群距離較小(一般為極近距離，0～3.5m左右)時(shí)，上層煤在回采時(shí)工作面巷道底板基本遭到破壞，下層煤掘進(jìn)與支護(hù)比較困難，此條件下不宜采用；煤層間距離較大時(shí)可以采用，既可以避免上層煤煤柱造成的強(qiáng)烈集中應(yīng)力影響，又可以減少下煤層留設(shè)煤柱寬度，提高煤層回收率。

大柳塔煤礦活雞兔井1-2煤層復(fù)合區(qū)上分層已采厚度3.46～4.92 m，平均4.5 m；下分層剩余厚度為5.08～6.54 m，平均5.5m。巷道高度按3.5 m考慮，則巷道垂直布置條件下層間距平均只有2 m左右，不利于下分層巷道支護(hù)，即使采用工字鋼架棚支護(hù)，也存在頂板冒落、漏風(fēng)等隱患，并進(jìn)一步引起自燃等安全問題。采用內(nèi)錯(cuò)布置將會(huì)留下較大區(qū)段煤柱，工作面長度顯著縮短，開采效益下降，與垂直布置同樣存在巷道支護(hù)困難的問題。

綜合對(duì)比后，建議選擇外錯(cuò)布置，既有利于加大工作面斜長，減小區(qū)段煤柱，又使下分層巷道位于上層區(qū)段煤柱內(nèi)，雖然巷道壓力顯現(xiàn)會(huì)增大，但有利于采用錨網(wǎng)支護(hù)，現(xiàn)有技術(shù)條件下能夠滿足支護(hù)及使用要求。

3 下分層巷道合理錯(cuò)距

3.1 理論分析

活雞兔井1-2煤層復(fù)合區(qū)12上200工作面、12上202工作面、12上204工作面等3個(gè)相鄰工作面均采用雙巷掘進(jìn)，12上202工作面與12上200工作面之間的區(qū)段煤柱寬度為20 m，12上202工作面與12上204工作面之間的區(qū)段煤柱寬度為31 m，12下202工作面位于12上202工作面下方，12下202工作面回風(fēng)巷布置在20 m煤柱下方，12下202工作面運(yùn)輸巷與12下204工作面回風(fēng)巷布置在31 m煤柱下方。

根據(jù)上述分析，下分層工作面巷道布置采用外錯(cuò)布置，需要確定下分層巷道的合理平移距離。根據(jù)彈性力學(xué)半平面問題的求解結(jié)果分析可知，在均布載荷條件下煤層底板的應(yīng)力在煤層底板巖層內(nèi)傳遞是由近及遠(yuǎn)、由大到小的，距離煤柱底板中的深度愈大，產(chǎn)生的垂直應(yīng)力愈小，如圖2所示。

圖2 煤柱底板支承壓力分布示意圖

一般認(rèn)為0.1倍煤柱均布載荷p大小的應(yīng)力對(duì)巷道的影響可以忽略不計(jì)，即煤柱的應(yīng)力影響邊界在0.1p處。由于下分層煤層厚度只有5.5 m，下分層巷道必然處于0.5p以上的煤柱應(yīng)力影響區(qū)內(nèi)，此影響不可避免，只能通過合理的支護(hù)方式進(jìn)行解決。

護(hù)巷煤柱保持穩(wěn)定的基本條件是煤柱兩側(cè)產(chǎn)生塑性變形后，在煤柱中央仍處于彈性應(yīng)力狀態(tài)，即在煤柱中央保持一定寬度的彈性核。對(duì)一次采全厚的綜放工作面護(hù)巷煤柱，彈性核的寬度取兩倍的巷道高度即可。根據(jù)極限平衡理論可求得回采工作面周邊煤體的塑性區(qū)寬度R0為：

(1)

式中： M——煤層開采厚度，取5.5 m；

λ——側(cè)壓系數(shù)，λ=μ/(1-μ) ；

μ——泊松比，μ取0.27，則λ為0.37；

?0——煤體交界面內(nèi)摩擦角，取28°；

C0——煤體交界面粘聚力，取3.5 MPa；

K——回采引起的應(yīng)力集中系數(shù)，取6；

H——開采深度，取100 m；

γ——上覆巖層平均容重，取25 kN/m3。

將數(shù)據(jù)代入式(1)，可求得回采工作面周邊煤體的塑性區(qū)寬度R0為2.27 m，巷道高度h按3.5m計(jì)算，下分層煤柱的寬度按B≥R0+2h+R0計(jì)算，則煤柱最窄為11.54 m。

工作面運(yùn)輸巷斷面寬5.6 m、高3.5 m，回風(fēng)巷斷面寬5.4 m、高3.5 m，31 m區(qū)段煤柱下方需要布置12下202工作面運(yùn)輸巷與12下204工作面回風(fēng)巷，則31 m煤柱下方剩余8.46 m (31 m -5.6 m -5.4 m -11.54 m =8.46 m)煤柱，則巷道外錯(cuò)距離可按4.23 m考慮。

3.2 數(shù)值模擬分析

根據(jù)活雞兔井1-2煤層的鉆孔柱狀圖建立模型，其中相近的巖層合并考慮，本次模擬考慮了20m的底板，煤層厚度10 m，模擬所建立的模型各巖層厚度見表1。

模型4個(gè)立面均固定法向位移，底面同樣固定法向位移。由于煤層埋藏較淺，本次直接模擬到地表黃土層，沒有考慮等效載荷的替代問題，黃土層主要考慮其重力作用。

煤巖層物理力學(xué)參數(shù)如表2所示，將煤層按兩層建立，分為上分層和下分層。

模擬選取下分層12下202工作面運(yùn)輸巷與12下204工作面回風(fēng)巷，巷道寬度5 m，12上202工作面與12上204工作面之間區(qū)段煤柱寬度30 m，分析下分層巷道外錯(cuò)距0 m、2 m、4 m、6 m、8 m時(shí)(下分層兩個(gè)巷道間區(qū)段煤柱分別為20 m、16 m、12 m、8 m、4 m)，下分層區(qū)段煤柱的破壞情況。

通過模擬分析可見，下分層巷道開挖后，巷道兩側(cè)形成3 m左右的塑性破壞區(qū)。當(dāng)下分層巷道外錯(cuò)距為0～2 m時(shí)，下分層巷道上方受到上分層巷道塑性破壞區(qū)影響，不利于下分層巷道支護(hù)；當(dāng)下分層巷道外錯(cuò)距增大至4 m以上時(shí)，下分層巷道上方受到上分層巷道塑性破壞區(qū)影響已經(jīng)較?。坏钱?dāng)下分層巷道外錯(cuò)距增大至6 m時(shí)，下分層兩條巷道間區(qū)段煤柱彈性區(qū)已經(jīng)不足2 m，外錯(cuò)距進(jìn)一步增大至8 m后，下分層兩條巷道間區(qū)段煤柱完全處于塑性破壞區(qū)，不能保證回采期間的安全使用。

表1 模型各層組的分布情況表

表2 數(shù)值模擬采用的參數(shù)

通過模擬分析表明，外錯(cuò)距為4～6 m時(shí)，即下分層兩條巷道間區(qū)段煤柱寬度減小至12～8m時(shí)，下分層工作面區(qū)段煤柱內(nèi)仍存在一定的未發(fā)生塑性破壞區(qū)域，如圖3所示。

通過數(shù)值模擬分析，確定下分層巷道的合理外錯(cuò)距不小于4.0 m，此時(shí)下分層工作面區(qū)段煤柱寬度不大于12 m。

4 下分層巷道使用效果

4.1 巷道布置與支護(hù)

12下202工作面運(yùn)輸巷上方煤柱為31 m，運(yùn)輸巷與12上202回風(fēng)巷外錯(cuò)錯(cuò)距4.2 m；12下202工作面回風(fēng)巷布置在上方20 m煤柱之下，回風(fēng)巷與12上202運(yùn)輸巷外錯(cuò)錯(cuò)距4.3 m，12下202工作面兩巷道布置如圖4所示。

12下202工作面切眼寬度達(dá)到8.8 m，跨度大，為便于切眼采用錨桿、錨索支護(hù)，切眼布置在實(shí)體煤之下。12下202工作面切眼布置在12上202工作面切眼后方20 m。

12下202工作面回風(fēng)巷與運(yùn)輸巷斷面寬度5400 mm，高度3500 mm，回風(fēng)巷與運(yùn)輸巷頂板采用錨網(wǎng)索支護(hù)，采用規(guī)格為?18 mm×2100mm錨桿，間排距950 mm×1000 mm，每排6根；同時(shí)還采

用規(guī)格為?17.8 mm×8000 mm錨索，間排距2000 mm×2000 mm，每排3根。回風(fēng)巷與運(yùn)輸巷兩幫采用錨桿支護(hù)，工作面煤壁側(cè)采用規(guī)格?20 mm×2100 mm玻璃鋼錨桿，間排距1000 mm×1000 mm，每排3根；區(qū)段煤柱側(cè)采用規(guī)格?18 mm×2100 mm錨桿，間排距1000 mm×1000 mm，每排3根。

12下202工作面回風(fēng)巷與運(yùn)輸巷過上工作面區(qū)段煤柱聯(lián)巷等頂煤變薄區(qū)域，由于無法采用錨索，頂板采用錨桿+U型鋼棚復(fù)合增強(qiáng)支護(hù)，頂板支護(hù)采用規(guī)格為?18 mm×1000 mm錨桿，間排距1000 mm×1000 mm，每排4根，U型鋼棚棚距1.0 m，巷幫支護(hù)與正常段相同。

4.2 實(shí)測巷道布置效果

通過在12下202工作面運(yùn)輸巷與回風(fēng)巷中各布置4個(gè)測站進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測。距工作面100 m布置第一個(gè)測站，后面3個(gè)測站距上一個(gè)測站均為30 m，每個(gè)測站包括2個(gè)巷道表面位移監(jiān)測儀和1個(gè)頂板離層儀?；夭捎^測期間，巷道位移變形量均很小，至工作面推進(jìn)至190 m時(shí)完全推過4個(gè)測站，頂?shù)装宕怪蔽灰屏孔畲鬄? mm，說明巷道支護(hù)參數(shù)選擇合理，滿足生產(chǎn)需要。頂板離層監(jiān)測表明，巷道圍巖變形較小，頂板離層量與初始值相比，變化較小，至工作面推過4個(gè)測站，頂板離層監(jiān)測深基點(diǎn)離層量最大累計(jì)8 mm，淺基點(diǎn)不足5 mm。

通過現(xiàn)場實(shí)測分析，表明所采用的下分層巷道布置方式及支護(hù)方式合理，能夠滿足下分層綜放開采安全生產(chǎn)要求。

圖4 兩巷道布置

5 結(jié)論

(1)活雞兔井淺埋厚煤層下分層綜放開采是首次在神東礦區(qū)9～12 m堅(jiān)硬厚煤層中應(yīng)用,下分層5.5 m煤層通過采用外錯(cuò)式布置、外錯(cuò)距不少于4.2 m的綜放開采工藝,成功實(shí)現(xiàn)了安全高效回采。

(2)現(xiàn)場實(shí)測表明，外錯(cuò)布置方式通過合理支護(hù)，巷道變形量小、頂板離層量小，外錯(cuò)距4.2 m滿足下分層綜放工作面安全生產(chǎn)要求。

[1]張子飛,楊俊哲等.7 m大采高綜采工作面開采關(guān)鍵技術(shù)研究. 煤炭工程,2015(3)[2]馮曉棟,任永強(qiáng)等.淺埋深中硬厚煤層大采高綜放開采實(shí)踐. 煤炭工程,2011(6)

[3]佘永明,任永強(qiáng).柳塔礦不穩(wěn)定厚硬煤層綜放面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究. 中國煤炭,2013(3)

[4]許雪峰,王甜. 煤層復(fù)合區(qū)無人工頂板條件下分層開采方案研究. 煤炭科學(xué)技術(shù),2015(S2)

[5]張勇.上分層煤柱下的下分層綜放開采技術(shù)實(shí)踐與分析. 中國煤炭,2006(10)

[6]翟德元,楊鍵軍等.特厚煤層分層開采技術(shù)研究. 中國煤炭,2008(12)

(責(zé)任編輯 張毅玲)

Research on roadway layout in fully mechanized caving face of lower sliceof shallow thick coal seam

Zhang Xueliang

(Coal Mining & Designing Department, Tiandi Science & Technology Co., Ltd., Chaoyang, Beijing 100013, China)

Based on the mining conditions of mechanized caving face in lower slice of shallow thick coal seam in Shendong Huojitu Mine, theoretical analysis and numerical simulation methods were adopted to analyze and determine the roadway layout of lower slice, which determined the outer dislocated layout and the reasonable dip separation of 4 m. Field test showed that the vertical displacement and separation of roadway roof were under 8 mm, which met the safety production requirement of mechanized caving face of lower slice of shallow thick seam.

shallow seam, fully mechanized caving face, lower slice mining, roadway layout

國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(51504135)，煤炭科學(xué)研究總院基金(2015ZYJ001)

TD353

A

張學(xué)亮(1984-)，男，山東臨朐人，碩士、助理研究員，主要從事礦山壓力與巖層控制及采煤方法等方向研究。