近距離煤層工作面巷道的合理布置

劉 平

(大同煤礦集團(tuán)公司 云岡礦,山西 大同 037003)

崔家寨礦5#煤層與6#煤層平均間距為22 m。其中，5#煤層E12503和E12505工作面巷道位于6#煤層E12603和E12605工作面下方，6#煤層E12603和E12605工作面回采完畢后， E12503和E12505工作面回采巷道是在應(yīng)力重新分布了以后的巖層中掘成的，E12503工作面巷道位于6#煤采空區(qū)煤柱的正下方。 E12505工作面機(jī)巷鄰近于E12503機(jī)巷，中間僅相隔15 m的保護(hù)煤柱，因此E12505工作面機(jī)巷也將處在上部6#煤層遺留煤柱在底板巖層中的應(yīng)力影響范圍之內(nèi)，考慮到上部煤層回采影響，巷道的圍巖變形和底板巷道的受力存在很大的差別，同時(shí)巷道與上部煤層回采空間相對(duì)位置以及開采時(shí)間關(guān)系不同。因此，上部煤層工作面開采后應(yīng)力的重新分布以及其在底板巖層一定范圍的傳播，成為影響底板巷道布置和維護(hù)的重要因素。

1 巷道布置對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響

影響煤層底板巷道布置以及維護(hù)的主要因素是該范圍內(nèi)底板巖層應(yīng)力的重新分布。這主要是因?yàn)樯厦簩又泄ぷ髅娴拈_采過程會(huì)造成開采空間圍巖應(yīng)力的重新分布，重新分布的應(yīng)力會(huì)向底板深部傳遞，最終造成底板巖層圍巖的應(yīng)力重新分布。E12503和E12505工作面回采巷道正處于6#煤底板巖層中。

巷道布置對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響可具體分為以下幾類：

1)當(dāng)巷道布置在已經(jīng)穩(wěn)定的采空區(qū)下方時(shí)，開采穩(wěn)定后的上部煤層對(duì)底板會(huì)形成應(yīng)力降低區(qū)，因此，巷道在煤層開采期間幾乎不受采動(dòng)影響，巷道的變形也不明顯。

2)當(dāng)巷道布置于保護(hù)煤柱的下方時(shí)，布置的巷道必然會(huì)受到集中應(yīng)力的影響，使得變形明顯，但在保護(hù)煤柱寬度較大以及巷道與保護(hù)煤柱水平間距夠大的條件下，巷道避開了采動(dòng)的影響，處于原巖應(yīng)力場(chǎng)，變形量較小。崔家寨礦E12505工作面機(jī)巷雖然處在上部煤層的采空區(qū)下，但是與上部煤層遺留煤柱的水平距離很近，同樣處在上部煤層遺留煤柱在底板巖層中所引起的應(yīng)力增高的區(qū)域。

3)當(dāng)工作面布置在未開采工作面下方時(shí)，隨著工作面的回采，該巷道會(huì)受到上部煤層工作面的采動(dòng)影響，對(duì)巷道變形量也有一定的影響。

綜上可知，距開采空間合理距離范圍內(nèi)，巷道應(yīng)布置在相對(duì)穩(wěn)定的巖層中。影響巷道布置合理性的主要參數(shù)包括：巷道與上煤層的垂直距離，巷道與上煤層保護(hù)煤柱的水平距離以及上煤層保護(hù)煤柱的寬度。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明：在巷道圍巖性質(zhì)、開采深度、上煤層開采情況以及巷道與上煤層垂直距離一定時(shí)，巷道與上煤層保護(hù)煤柱的水平距離決定巷道是否處于上煤層開采后對(duì)底板傳遞的應(yīng)力增高區(qū)，巷道圍巖整體變形速度與上煤層保護(hù)煤柱(兩側(cè)已采)水平距離的關(guān)系曲線見圖1。

1—兩幫移近速度 2—頂?shù)滓平俣?/p>

2 巷道位置合理參數(shù)確定

選擇合理的底板巷道位置參數(shù)，分別從以下方面進(jìn)行確定：

1)底板巖層中應(yīng)力分布區(qū)域。

在煤體與采空區(qū)交界地區(qū)，采動(dòng)引起的底板巖層應(yīng)力分為以下區(qū)域：原巖應(yīng)力、應(yīng)力集中區(qū)、剪切滑移區(qū)、卸壓區(qū)、應(yīng)力恢復(fù)區(qū)、拉伸破裂區(qū)。卸壓區(qū)、拉伸破裂和剪切滑移區(qū)應(yīng)當(dāng)是布置底板巷道的理想?yún)^(qū)域。

2)巷道穩(wěn)定性指數(shù)的確定。

巷道穩(wěn)定性指數(shù)表示的是巷道所在位置在未掘進(jìn)前的最大主應(yīng)力與該位置處圍巖巖石單軸抗壓強(qiáng)度間的比值(巷道穩(wěn)定性指數(shù)表見表1)。巷道穩(wěn)定性指數(shù)是確定巷道位置參數(shù)的主要依據(jù)。

表1 巷道圍巖穩(wěn)定性指數(shù)表

由E12503、E12505工作面現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件可得，該巷道圍巖穩(wěn)定程度為中等穩(wěn)定。

3)巷道主要布置參數(shù)的確定。

E12503和E12505工作面圍巖巷道失穩(wěn)破壞，在巷道布置方面，主要從3個(gè)方面進(jìn)行分析：需要布置的巷道與上煤層的垂直距離、巷道與上煤層保護(hù)煤柱的水平距離以及該保護(hù)煤柱的寬度。理論上安全合理的條件是滿足三個(gè)條件中任意一條即可，理論認(rèn)為，滿足其中任意一條均能保證工作面巷道位于上煤層的采動(dòng)對(duì)底板的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)。

a)巷道與上煤層的垂直距離的確定。

在采動(dòng)影響的條件下，巷道合理布置的要求是應(yīng)該保持巷道圍巖處于中等穩(wěn)定狀態(tài)。近距離煤層中，巷道開掘位置處圍巖最大垂直應(yīng)力范圍由式(1)確定，通過該最大垂直應(yīng)力，結(jié)合巷道與上煤層采動(dòng)空間的安全高度關(guān)系表(表2)，可確定垂直安全距離。

pmax≤0.4×σ

(1)

式中:

pmax—巷道所處位置的最大垂直應(yīng)力計(jì)算值，MPa；

σ—巷道圍巖巖石單向抗壓強(qiáng)度，MPa。

表2 巷道位置與上部開采空間的安全高度關(guān)系表

注：括號(hào)內(nèi)的數(shù)字為相應(yīng)的巷道圍巖穩(wěn)定性指數(shù)。

對(duì)于E12503、E12505工作面巷道，其圍巖主要為砂巖，巷道圍巖巖石的單軸抗壓強(qiáng)度確定為30 MPa，該工作面巷道埋深292.4 m，由表2可知，對(duì)應(yīng)條件下，巷道與上煤層采動(dòng)空間的安全高度為65 m，也就是說在這個(gè)高度可以保證巷道的穩(wěn)定狀態(tài)。計(jì)算其上部煤層跨采時(shí)距離上部煤層所應(yīng)有的最小層間距離時(shí)，巷道與上部煤層之間的垂直距離應(yīng)大于由于工作面跨采而在底板內(nèi)形成的破裂帶的深度，巷道位置與上煤層開采所規(guī)定的最小垂直距離關(guān)系見表3。

表3 巷道位置與上部開采煤層間的最小垂直距離關(guān)系表

E12503、E12505工作面巷道的圍巖強(qiáng)度為30 MPa,其埋深近300 m,由表3可知,其距離上部煤層的最小垂直距離應(yīng)有20 m。E12503、E12505工作面巷道所在煤層距離上部煤層距離為24 m，由前述分析可知，該距離是上煤層采動(dòng)對(duì)下方巷道圍巖穩(wěn)定性造成影響的臨界值，要保證下方巷道圍巖處于穩(wěn)定環(huán)境中，需使巷道與上煤層保護(hù)煤柱的水平距離滿足條件，只有水平距離足夠大，才能使巷道位于上煤層采動(dòng)的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，最終保證巷道圍巖的穩(wěn)定。

b)巷道與上煤層保護(hù)煤柱水平距離的確定。

當(dāng)巷道與上煤層間的垂直距離一定時(shí)，巷道與上煤層保護(hù)煤柱合適水平距離的確定應(yīng)滿足能保證該巷道位于上煤層采動(dòng)的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)的原則。巷道位置與上部煤體邊緣之間的水平距離關(guān)系見表4。

表4 巷道位置與上部煤體邊緣水平距離關(guān)系表

結(jié)合前述結(jié)果，由表4可得出巷道與上部煤體之間的水平距離應(yīng)該在25 m以上，才能使巷道處在卸壓區(qū)，使巷道的穩(wěn)定得到保障。

c)保護(hù)煤柱寬度的確定。

在兩側(cè)已采、寬度較大的煤柱的條件下，也就是巷道上部煤層遺留的保護(hù)煤柱足夠?qū)挄r(shí)，煤柱在底板巖層中的支承應(yīng)力呈馬鞍形分布，底板巖層內(nèi)同一水平面上σz以煤柱中心線處最小，煤柱中部支承應(yīng)力接近原始應(yīng)力狀態(tài)，靠近煤柱邊緣出現(xiàn)峰值。上部煤層保護(hù)煤柱的合理寬度值見表5。

表5 巷道上部煤層保護(hù)煤柱合理寬度表

由表5可知，在E12503、E12505工作面巷道埋深近300 m、圍巖強(qiáng)度在小于30 MPa的條件下，如果上部煤層中保護(hù)煤柱寬度在40～50 m時(shí)，位于其下部的巷道能夠處在穩(wěn)定的區(qū)域。

3 合理的巷道布置決策

新掘進(jìn)的巷道在位置的選擇上應(yīng)該綜合考慮各種因素，從以上對(duì)巷道位置的研究，結(jié)合崔家寨煤礦地質(zhì)條件，在其回采巷道布置設(shè)計(jì)時(shí)，最重要的是使巷道避開高壓區(qū)巷道處在巖層中壓力較小的位置，因此應(yīng)該著重注意以下兩個(gè)因素影響：

1)底板巖層中巷道與上部煤層工作面及遺留煤柱的相對(duì)位置。

2)同一煤層中相鄰巷道之間的相對(duì)位置，即考慮鄰近工作面間保護(hù)煤柱的寬度。

因此，對(duì)于相似條件下的E12504及E12611工作面回采巷道按照以上分析原理，確定巷道布置并進(jìn)行比較分析。

a)E12504回風(fēng)巷道布置。

在考慮巷道穩(wěn)定性的同時(shí)，同樣應(yīng)該結(jié)合具體地質(zhì)條件和經(jīng)濟(jì)效益綜合考慮巷道的布置。早期設(shè)計(jì)的E12504回風(fēng)巷道布置的特點(diǎn)為：巷道轉(zhuǎn)彎前與鄰近的E12506工作面進(jìn)風(fēng)巷道中間相隔15 m的護(hù)巷煤柱，并且轉(zhuǎn)彎前巷道位于上部6#煤E12604采空區(qū)遺留的保護(hù)煤柱的正下方，而轉(zhuǎn)彎后巷道與鄰近的E12506工作面進(jìn)風(fēng)巷道中間相隔20 m的護(hù)巷煤柱，由于巷道轉(zhuǎn)彎改變了直線方向，因此，不再處于E12604采空區(qū)遺留保護(hù)煤柱的下部。

綜合考慮前述分析后，建議轉(zhuǎn)彎前部分與鄰近工作面之間保護(hù)煤柱寬度應(yīng)為20 m以上，同時(shí)在轉(zhuǎn)彎前部分巷道支護(hù)應(yīng)采用加強(qiáng)支護(hù)方案。轉(zhuǎn)彎后部分避開了上部煤層的影響，并且與鄰近工作面之間煤柱寬度采用了22 m護(hù)巷煤柱的方案，巷道的布置充分考慮到了以上兩個(gè)因素，巷道將處在應(yīng)力相對(duì)較小的區(qū)域，巷道圍巖的穩(wěn)定性將比較有保障。

b)E12611回風(fēng)巷道布置。

E12611工作面巷道布置的穩(wěn)定性主要決定于相鄰工作面的采動(dòng)影響，并無上部煤層的采動(dòng)影響和上方煤柱的支承壓力作用。早期設(shè)計(jì)E12611工作面回風(fēng)巷道與相鄰的E12609工作面進(jìn)風(fēng)巷之間為15 m的護(hù)巷煤柱，相鄰面采動(dòng)影響對(duì)巷道圍巖的穩(wěn)定性影響還是很大的。對(duì)于此類巷道，建議采用20 m以上的保護(hù)煤柱，使巷道避開相鄰工作面采動(dòng)所引起側(cè)向支承壓力的峰值區(qū)域，給巷道支護(hù)和巷道圍巖穩(wěn)定的維護(hù)創(chuàng)造便利條件。

綜合現(xiàn)場(chǎng)條件，由于與鄰近工作面之間保護(hù)煤柱已經(jīng)確定為15 m，煤柱寬度相對(duì)較小，因此在支護(hù)參數(shù)上應(yīng)該采用加強(qiáng)支護(hù)方案，以保證巷道的穩(wěn)定。

近距離煤層工作面巷道應(yīng)布置在相對(duì)穩(wěn)定的巖層中，且巷道布置的合理位置參數(shù)主要有：巷道與上煤層的垂距離、巷道與上煤層保護(hù)煤柱的水平距離以及該保護(hù)煤柱的寬度。在布置巷道時(shí)，理論上滿足以上3個(gè)條件中任意一條均可保證工作面巷道的穩(wěn)定性。

參 考 文 獻(xiàn)

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