近距離煤層采空區(qū)下回采巷道布置方式研究

杜艷春

（山西汾西礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司靈北煤礦，山西 靈石 031302）

1 概況

宜興煤業(yè)可采煤層2#煤和2#下煤的層間距為5.50～9.00m，平均約7.3m，屬近距離煤層。2#煤層煤厚0～4.50m，平均厚度1.63m，現(xiàn)井田范圍內(nèi)大部分已回采完畢，開采方法為綜合機(jī)械化走向長(zhǎng)壁后退式采煤法，一次采全高，全部垮落法管理頂板。為節(jié)約煤炭資源，工作面之間留設(shè)寬度為5m的區(qū)段煤柱。2#下煤層厚度0.30～2.00m，平均厚度1.40m，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，屬近水平煤層。頂板多為泥巖或砂質(zhì)泥巖，厚度3.50～8.20m，平均5.80m，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，屬中等冒落性的頂板；底板多為泥巖、砂質(zhì)泥巖，局部見有細(xì)粒砂巖，厚度1.00～3.80m，平均2.50m，節(jié)理、裂隙不發(fā)育。

2#下煤層布置的首采面為1201-2工作面，位于2#煤層首采面1201工作面采空區(qū)下方，北部緊鄰工業(yè)廣場(chǎng)保護(hù)煤柱邊界，南部為1202工作面采空區(qū)。1201工作面與1202工作面之間東部有一長(zhǎng)軸約130m、短軸約85m的陷落柱（編號(hào)W1-5），兩工作面回采期間分別開掘了繞巷繞過(guò)此無(wú)炭柱開采。

近距離煤層下位煤層工作面回采巷道的布置方式主要有外錯(cuò)式、內(nèi)錯(cuò)式、垂直式三種，在2#煤層留設(shè)5m區(qū)段煤柱的情況下，2#下煤層回采巷道（寬度4.5m）若采用外錯(cuò)式布置，則巷道基本與煤柱垂直，受煤柱的集中應(yīng)力影響，勢(shì)必造成巷道的圍巖變形量和維護(hù)量大幅增高，不利于工作面的安全高效開采，因此只針對(duì)內(nèi)錯(cuò)與垂直兩種布置方式進(jìn)行對(duì)比分析。

2 回采巷道合理布置分析

（1）理論計(jì)算

利用彈性力學(xué)理論，在均布載荷條件下，煤層底板應(yīng)力在煤層底板巖層內(nèi)隨著遠(yuǎn)離煤柱而逐漸衰減，其影響范圍可簡(jiǎn)化為兩條直線包絡(luò)下的范圍。結(jié)合宜興煤業(yè)2#煤層及2#下煤層的具體地質(zhì)條件，影響角θ取35°，2#下煤工作面的回采巷道必須布置在該影響線以外的范圍，才能避開2#煤層開采后遺留的區(qū)段煤柱壓力的影響，即：

式中：

L0-2#煤層遺留煤柱與2#下煤層回采巷道的水平間距，m；

h1-2#煤層及2#下煤層的層間距，7.3m；

h2-2#下煤層回采巷道的高度，2.7m；

θ-應(yīng)力影響角，取35°。

計(jì)算得L0≥7.00m。而2#煤層回采巷道寬度為B=4.5m，則2#下煤層回采巷道相對(duì)2#煤層回采巷道的內(nèi)錯(cuò)距為：

即，為避開2#煤層開采后遺留的區(qū)段煤柱集中壓力的影響，2#下煤層回采巷道相對(duì)2#煤層回采巷道應(yīng)至少內(nèi)錯(cuò)2.5m布置，考慮1.5倍的安全系數(shù)，將內(nèi)錯(cuò)距定為不小于3.75m。

（2）數(shù)值模擬分析

根據(jù)礦井地質(zhì)條件，采用UDEC建立工作面開采模型，模擬范圍均取418m×100m（走向×傾向）。圍巖物理力學(xué)性質(zhì)參照該礦工作面實(shí)際巖體力學(xué)特性。節(jié)理特性考慮采動(dòng)影響，圍巖本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulumb模型。模型的上邊界為應(yīng)力邊界，根據(jù)覆巖厚度施加均布載荷，左、右、下三個(gè)邊界為位移固定約束邊界。

模擬2#下煤工作面相對(duì)2#煤工作面按內(nèi)錯(cuò)（內(nèi)錯(cuò)距離2m、4m、6m、8m、10m、15m、20m）、垂直兩種布置方式，共分8個(gè)模擬方案，各方案中2#下煤工作面回采巷道的變形情況模擬結(jié)果對(duì)比情況如圖1所示。

圖1 不同布置方案的巷道圍巖變形量對(duì)比

從圖1可以看出，垂直布置時(shí)圍巖變形量最大，隨著2#下煤回采巷道相對(duì)2#煤工作面內(nèi)錯(cuò)距離的增大，2#下煤巷道所處位置的應(yīng)力值逐漸減小，圍巖變形量及塑性區(qū)逐漸減小，相同的錨桿支護(hù)參數(shù)對(duì)巷道圍巖控制的效果逐漸明顯。

從提高采區(qū)回采率的角度看，內(nèi)錯(cuò)距離越小，2#煤回采時(shí)留設(shè)的區(qū)段煤柱越小，浪費(fèi)的煤炭資下源就越少。

從保持巷道長(zhǎng)期穩(wěn)定的角度看，應(yīng)將巷道布置在煤柱下方的低應(yīng)力區(qū)域內(nèi)，內(nèi)錯(cuò)2m時(shí)，模擬結(jié)果顯示巷道未完全處于低應(yīng)力區(qū)域，靠煤柱一側(cè)的幫部（右?guī)停┳冃屋^嚴(yán)重，而內(nèi)錯(cuò)4m時(shí)，巷道處于低應(yīng)力區(qū)域內(nèi)，左右兩幫的變形量較均衡。

因此，在布置2#下煤回采巷道時(shí)應(yīng)選用內(nèi)錯(cuò)4～6m的布置方式，與理論分析結(jié)果基本一致。

3 實(shí)測(cè)結(jié)果與分析

（1）采空區(qū)下回采巷道布置

2#下煤層1201-2工作面回采巷道布置情況如圖2所示，其運(yùn)輸順槽相對(duì)上方2#煤層的1201工作面運(yùn)輸順槽內(nèi)錯(cuò)5m布置，材料順槽相對(duì)1201材料順槽內(nèi)錯(cuò)46m布置，相對(duì)1201工作面過(guò)W1-5陷落柱的繞巷為垂直布置（長(zhǎng)度約160m），使1201-2工作面回采時(shí)避開此陷落柱影響。

1201-2運(yùn)輸順槽和材料順槽永久支護(hù)均采用錨網(wǎng)梁索聯(lián)合支護(hù)，支護(hù)材料為螺紋鋼錨桿（頂板）、圓鋼錨桿（兩幫）、圓鋼鋼帶、鋼絞線、金屬菱形網(wǎng)等。

圖2 2#下煤層1201-2工作面回采巷道布置

（2）測(cè)點(diǎn)布置

在1201-2工作面運(yùn)輸順槽、材料順槽及材料順槽與1201工作面繞巷垂直布置段各設(shè)置了5個(gè)測(cè)站，如圖2所示。相鄰測(cè)站沿巷道走向間距20m，每個(gè)測(cè)站設(shè)置一個(gè)圍巖變形監(jiān)測(cè)斷面，采用十字布點(diǎn)法，在頂板、底板和兩幫中部各布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)工作面回采過(guò)程中巷道圍巖變形情況，包括頂?shù)装逑鄬?duì)移近量及變形速度、兩幫相對(duì)移近量及變形速度。用鋼卷尺或測(cè)槍測(cè)讀AB、CD值，讀數(shù)精確到1mm，并記錄測(cè)站至工作面的距離。距工作面50m之內(nèi)的測(cè)站，每天觀測(cè)一次，50～200m之內(nèi)的測(cè)站每?jī)商煊^測(cè)一次。

（3）觀測(cè)結(jié)果分析

1201-2運(yùn)輸順槽的圍巖變形情況如圖3所示，巷道圍巖變形速度較小，平均在6～8mm/d左右，當(dāng)測(cè)站距離工作面0～30m范圍時(shí)，由于工作面超前支承壓力的作用，圍巖變形速度增大。整體來(lái)講，支護(hù)效果較好，圍巖變形量不大，頂?shù)装謇塾?jì)相對(duì)移近量平均182mm，兩幫累計(jì)相對(duì)移近量平均147mm。

圖3 1201-2運(yùn)輸順槽（內(nèi)錯(cuò)5m布置）圍巖變形速度和變形量

1201-2材料順槽與1201繞巷垂直段的圍巖變形量、變形速度曲線如圖4所示。圍巖變形量和變形速度相對(duì)內(nèi)錯(cuò)5m布置時(shí)明顯變大，頂?shù)装謇塾?jì)移近量平均479mm，兩幫累計(jì)移近量平均373mm，出現(xiàn)了較為明顯的底鼓、幫鼓及頂板破碎、下沉現(xiàn)象。圍巖變形速度平均10～14mm/d。

圖4 1201-2材料順槽（與繞巷垂直布置）圍巖變形速度和變形量

1201-2材料順槽（內(nèi)錯(cuò)46m布置）的圍巖變形情況如圖5所示，巷道圍巖變形速度與變形量均較小，變形速度平均在3～5mm/d，兩幫累計(jì)相對(duì)移近量平均122mm，頂?shù)装謇塾?jì)相對(duì)移近量平均127mm。

圖5 1201-2材料順槽（內(nèi)錯(cuò)46m布置）圍巖變形速度和變形量

三種布置方式的巷道圍巖變形速度與變形量對(duì)比見表1。

表1 不同布置方式時(shí)的巷道圍巖變形情況

三種布置方式中，垂直布置時(shí)巷道圍巖變形較為嚴(yán)重，對(duì)巷道的正常使用及回采期間端頭支護(hù)和安全出口維護(hù)工作造成了一定影響，個(gè)別地段需進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)；內(nèi)錯(cuò)5m及內(nèi)錯(cuò)46m布置時(shí)巷道圍巖變形量均較小，都滿足使用要求。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)理論計(jì)算和數(shù)值模擬分析得出，2#和2#下煤層工作面回采巷道采用相對(duì)2#煤層回采巷道內(nèi)錯(cuò)4～6m的布置方式較為合理。

（2）對(duì)2#下煤層的1201-2工作面兩條回采巷道采用內(nèi)錯(cuò)5m、內(nèi)錯(cuò)46m、垂直三種布置方式時(shí)圍巖變形情況的實(shí)測(cè)結(jié)果表明：垂直布置時(shí)巷道圍巖變形量和變形速度較大，實(shí)際應(yīng)用中需進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)方可滿足使用要求，內(nèi)錯(cuò)5m布置時(shí)圍巖變形量和變形速度較小，內(nèi)錯(cuò)46m布置時(shí)最小，兩種內(nèi)錯(cuò)布置方式的巷道支護(hù)效果均較好，未出現(xiàn)強(qiáng)烈的礦壓顯現(xiàn)。

（3）由于2#煤層與2#下煤層的層間距較小且?guī)r層較為軟弱，為提高安全性，同時(shí)減小煤柱損失、提高資源回收率與經(jīng)濟(jì)效益，2#煤層開采時(shí)工作面最適宜的布置方式為內(nèi)錯(cuò)4～6m布置。