近距離煤層巷道重疊布置技術(shù)的應(yīng)用研究

李瑞琪

（西山煤電集團(tuán)公司杜兒坪礦，山西省太原市，030022）

近距離煤層巷道重疊布置技術(shù)的應(yīng)用研究

李瑞琪

（西山煤電集團(tuán)公司杜兒坪礦，山西省太原市，030022）

介紹了杜兒坪礦南九盤(pán)區(qū)及73902工作面概況，對(duì)近距離煤層上部2＃煤柱的穩(wěn)定性進(jìn)行了理論分析，闡述了近距離煤層下部3＃煤層巷道的布置類型及布置方式，即內(nèi)錯(cuò)式、外錯(cuò)式及重疊式3種。通過(guò)比較指出，巷道重疊布置設(shè)計(jì)方案可行，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著，具有很好的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。

近距離煤層 巷道重疊布置 煤柱穩(wěn)定性

杜兒坪礦井下煤層埋藏深度為100～700m，井田內(nèi)主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組，共含煤19層。含煤地層總厚151.91m，煤層總厚19.32m，可采煤層有1＃、2＃、3＃、6＃、7＃、8＃和9＃煤層，共計(jì)7層，可采煤層總厚16.37m，主采煤層為2＃、3＃、8＃和9＃共4層。其中2＃與3＃煤層屬上組煤層，礦井大部分采區(qū)2＃煤層已采，現(xiàn)主要開(kāi)采3＃煤層，3＃煤層開(kāi)采巷道布置方式一般采用內(nèi)錯(cuò)式，煤柱浪費(fèi)較為嚴(yán)重，為解決這一問(wèn)題，該礦與煤科院支護(hù)研究所合作，采用巷道重疊布置設(shè)計(jì)3＃煤層工作面，既減少了煤柱損失，又簡(jiǎn)化了原煤運(yùn)輸系統(tǒng)，取得了較好效果。

1 南九盤(pán)區(qū)73902工作面概況

73902工作面位于杜兒坪礦南九盤(pán)區(qū)，屬于1010水平3＃煤層，工作面北鄰南大巷及南九軌道巷，南鄰杜兒坪斷層，西鄰73903工作面（未掘），東鄰73901工作面（回采中），上部為72902工作面采空區(qū)，2＃與3＃煤層間距平均約4m。蓋山厚度400～456m，平均428m。工作面設(shè)計(jì)可采走向長(zhǎng)870m，采長(zhǎng)219m，平均采高3.3m，可采儲(chǔ)量84.4萬(wàn)t。煤層厚度3.0～3.6m，平均3.3 m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，頂板下0.2～0.5m處有一層夾矸，厚0.1～0.3m，平均0.2m，煤層傾角1～5°，平均3°。直接頂為2.90～4.20m細(xì)砂巖，屬高瓦斯工作面。

上部72902工作面采用“兩進(jìn)一回”布置方式，即副巷、正巷進(jìn)風(fēng)，尾巷回風(fēng)，其中正尾巷煤柱留30m（中對(duì)中），開(kāi)采時(shí)間已有7～8年，采空區(qū)圍巖活動(dòng)基本恢復(fù)到平穩(wěn)狀態(tài)，73902工作面采用U型通風(fēng)，布置兩條巷道，一進(jìn)一回。

72902正巷正對(duì)煤倉(cāng)，故73902正巷需從72902正巷施工，通過(guò)穿層斜坡至3＃煤層。73902工作面位于72902工作面采空區(qū)下方，73902工作面正巷與72902工作面正巷重疊布置。

2 2＃煤柱穩(wěn)定性分析

煤層開(kāi)采引起回采空間圍巖應(yīng)力重新分布，不僅在回采空間周圍的煤柱上形成集中應(yīng)力，而且該集中應(yīng)力會(huì)向底板傳遞和擴(kuò)散。煤柱應(yīng)力集中程度受煤柱尺寸、煤柱性質(zhì)和圍巖性質(zhì)的影響。煤柱寬度的大小不同，煤柱和圍巖的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)不同，所產(chǎn)生的應(yīng)力集中程度不同，由此引發(fā)傳遞到底板的應(yīng)力分布狀態(tài)各異。研究南九采區(qū)2＃煤層開(kāi)采后殘留煤柱的穩(wěn)定性，是確定3＃煤層回采巷道合理位置的首要條件。

煤柱受到回采引起的側(cè)向支承壓力作用后，一般可分為破壞區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)。南九采區(qū)近距2＃煤層開(kāi)采后殘留的煤柱，絕大部分處于兩側(cè)采空狀態(tài)，煤柱長(zhǎng)期承受側(cè)向支承壓力的作用，支承壓力形成的形態(tài)與煤柱的寬度有關(guān)。

通過(guò)煤層穩(wěn)定性理論分析，兩層極近距離煤層上部煤層穩(wěn)定煤柱的最小寬度B為：

式中：C——煤體內(nèi)聚力，MPa；

M——煤層采高，m；

f——煤層與頂?shù)装褰佑|面的摩擦系數(shù)；

Pi——支架阻力，kN；

k——應(yīng)力集中系數(shù)；

γ——煤層上覆巖層平均容重，kN／m3；

H——煤層埋藏深度，m；

φ——煤體的內(nèi)摩擦角，（°）；

杜兒坪礦南九采區(qū)2＃煤層平均厚度取3.0m，內(nèi)摩擦角取29.5°；考慮煤層的節(jié)理裂隙影響，內(nèi)聚力C取1.05MPa，支架對(duì)煤幫的阻力Pi取0。煤層與頂?shù)装鍘r層接觸面的摩擦系數(shù)f取0.2，應(yīng)力集中系數(shù)k取5.0，上覆巖層平均容重γ為25kN／m3，煤層平均埋深H取400m，由式（1）計(jì)算得煤柱的最小寬度為14.5～17.5m。

南九采區(qū)近距上部2＃煤層形成穩(wěn)定煤柱的最小寬度在14.5～17.5m，即杜兒坪礦上部2＃近距煤層開(kāi)采煤柱寬度大于17.5m時(shí)能夠形成穩(wěn)定煤柱，而南九采區(qū)2＃煤層工作面留有30m（中對(duì)中）煤柱，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 3＃煤巷道布置方式方案的選擇

3.1 近距下部煤層巷道布置類型

多年的開(kāi)采實(shí)踐證明，煤層群采區(qū)巷道聯(lián)合布置是提高礦井集中生產(chǎn)程度的重要措施之一，杜兒坪礦屬高瓦斯礦井，2＃與3＃、8＃與9＃煤層的工作面均采用“三進(jìn)一回”通風(fēng)系統(tǒng)，即正巷、副巷、尾巷，其中正巷與尾巷之間留設(shè)30m的煤柱，尾巷可二次復(fù)用作為下一工作面的副巷，近距下部3＃煤層巷道全部布置在2＃煤層采空區(qū)下，與上部煤柱錯(cuò)距一般為10m。2010年《煤礦安全規(guī)程》修改后，集團(tuán)公司要求高瓦斯礦井綜采工作面全部采用“一進(jìn)一回”U型通風(fēng)系統(tǒng)或沿空留巷Y型通風(fēng)系統(tǒng)。針對(duì)這一情況，杜兒坪礦對(duì)不同煤層工作面采取了“一面一策”的通風(fēng)方式。對(duì)于近距離下部煤層工作面確定為“一進(jìn)一回”U型通風(fēng)系統(tǒng)，巷道布置方式主要有3種，即重疊式布置、外錯(cuò)式布置和內(nèi)錯(cuò)式布置。其中內(nèi)錯(cuò)式布置為下部煤層回采巷道均布置在上部煤層工作面采空區(qū)的下方，優(yōu)點(diǎn)是巷道壓力小，易于維護(hù)，缺點(diǎn)是煤柱大，中對(duì)中50m，資源浪費(fèi)嚴(yán)重，回采率低；外錯(cuò)式布置是下部煤層回采巷道均布置在上部煤層的煤柱下，巷道圍巖處于煤柱支承壓力作用區(qū)，工作面巷道壓力大，其優(yōu)點(diǎn)是下部3＃煤層煤柱尺寸小，回采率高，煤炭損失量??；重疊巷道布置方式即為上下煤層回采巷道立體垂直布置，圍巖應(yīng)力處于以上二者之間，同時(shí)又可以簡(jiǎn)化工作面運(yùn)輸系統(tǒng)。

巷道布置形式的選擇，主要考慮上部2＃煤層采空區(qū)底板巖層的應(yīng)力分布特征，以及2＃煤柱集中應(yīng)力在下部3＃煤層頂板的傳遞規(guī)律，必須對(duì)下部3＃煤層的應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)和應(yīng)力平衡區(qū)進(jìn)行分析，并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較后才能確定?，F(xiàn)代礦壓理論認(rèn)為，煤柱集中程度對(duì)巷道的礦壓顯現(xiàn)程度起決定性作用，將巷道布置在煤柱下方的低應(yīng)力區(qū)是實(shí)現(xiàn)控制巷道穩(wěn)定性的根本途徑。

3.2 3＃煤層巷道布置方式

杜兒坪礦南九采區(qū)近距上部2＃煤層回采工作面間煤柱留設(shè)30m（中對(duì)中），凈煤柱尺寸大約25m，參照2＃煤層回采工作面形成穩(wěn)定煤柱尺寸條件（18m以上），表明南九采區(qū)工作面殘留煤柱能形成穩(wěn)定煤柱。73902工作面正巷的布置方式不僅關(guān)系到73903工作面副巷的布置，而且也直接關(guān)系到73902工作面副巷的布置方式。

根據(jù)理論分析，73902正副巷最佳布置方式為內(nèi)錯(cuò)布置，見(jiàn)圖1。如果內(nèi)錯(cuò)10m的話，那么73901工作面正巷和73902工作面副巷間煤柱寬度達(dá)到45m（凈煤柱），73901工作面已掘通巷道支護(hù)狀況良好，表明采用該種方式布置巷道是可行的，但煤柱尺寸太大，煤炭資源損失非常嚴(yán)重。

如果73902工作面正副巷都采用重疊布置，見(jiàn)圖2，根據(jù)理論分析，盡管該種布置并非最佳方式，主要原因在于煤柱集中應(yīng)力相對(duì)比較高，給巷道維護(hù)帶來(lái)一定的難度，但是通過(guò)合理的支護(hù)可以解決這一難點(diǎn)。采用重疊布置方式，不僅可以大大減少煤柱尺寸，而且可以簡(jiǎn)化掘進(jìn)和回采過(guò)程的運(yùn)輸環(huán)節(jié)，這兩方面可創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)綜合考慮，提出73902工作面正巷（帶式輸送機(jī)巷）采用重疊方式布置。

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益

（1）73901工作面與73902工作面間煤柱尺寸為35m（凈煤柱），相比內(nèi)錯(cuò)10m布置，煤柱尺寸減小了10m。73902工作面巷道長(zhǎng)大約900m，煤層平均采高3.0m，3＃煤層比重1.43t／m3，工作面回采率按照0.95計(jì)算，可以節(jié)約煤炭資源36679.5t。假設(shè)噸煤價(jià)格500元／t，可獲得經(jīng)濟(jì)效益1834萬(wàn)元。

（2）73902工作面與73903工作面間煤柱尺寸為25m（凈煤柱），相比內(nèi)錯(cuò)10m布置，煤柱尺寸就減小了20m。按上述條件計(jì)算，可獲得經(jīng)濟(jì)效益3668萬(wàn)元。

這里僅以減少煤柱尺寸方面簡(jiǎn)單舉例說(shuō)明采用重疊布置方式創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益。如果再考慮73902工作面正巷重疊布置，簡(jiǎn)化了運(yùn)輸系統(tǒng)所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益，經(jīng)濟(jì)效益更加巨大。

5 結(jié)語(yǔ)

該巷道采用樹(shù)脂全長(zhǎng)錨固錨桿律，利用模型改變命令實(shí)現(xiàn)了工作面連續(xù)推進(jìn)，并得到了該大采高工作面推進(jìn)過(guò)程中的應(yīng)力分布云圖。通過(guò)選取煤層頂?shù)装寰W(wǎng)格點(diǎn)繪制了頂?shù)装逶诠ぷ髅嫱七M(jìn)25m時(shí)的應(yīng)力位移曲線。數(shù)值模擬結(jié)果可為該大采高工作面實(shí)際生產(chǎn)時(shí)的礦壓控制提供理論參考。

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Application of overlapping layout of roadways for contiguous seams to No.73902 working face of Duerping coal mine

Li Ruiqi

（Duerping Coal Mine，Xishan Coal Electricity Group Co.，Ltd.，Taiyuan，Shanxi 030022，China）

The outlines of the ninth panel in the south of Duerping coal mine and No.73902 working face were introduced.The stability of No.2coal pillar in the upper contiguous seams was theoretical analyzed，and the layouts of roadways for No.3coal seam in the lower contiguous seams were described，namely internal misaligned layout，alternate exterior entry layout and overlapping layout.The superiority of overlapping layout was pointed out via the comparison.The measurement of strata pressure showed that this kind of layout of roadways could bring notable economic benefits，being of wide application value and good development future.

contiguous seams，working face roadway，layout of roadways，overlapping layout

TD263

A

劉勝志（1975－），男，河北保定人，工程師，碩士學(xué)歷。主要從事煤礦建設(shè)和生產(chǎn)工作。

（責(zé)任編輯 張毅玲）