大埋深高應(yīng)力近距離煤層下位煤層回采巷道布置方案優(yōu)化

孫海良

(平頂山天安煤業(yè)股份有限公司, 河南省平頂山市，467000)

大埋深高應(yīng)力近距離煤層下位煤層回采巷道布置方案優(yōu)化

孫海良

(平頂山天安煤業(yè)股份有限公司, 河南省平頂山市，467000)

針對大埋深高應(yīng)力近距離煤層下位煤層巷道布置問題，通過分析上位煤層回采后圍巖應(yīng)力分布規(guī)律，對下位煤層巷道不同的布置位置進(jìn)行了對比研究，選擇下位煤層工作面跨上位煤層相鄰工作面煤柱布置的最佳方案。運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷有效避開了高應(yīng)力區(qū)，取得了良好的支護(hù)效果，加快了工程進(jìn)度，緩解了采掘接替緊張局面。

大埋深高應(yīng)力近距離煤層 下位煤層 回采巷道布置 跨煤柱布置

AbstractAiming at the roadway layout problem of lower seam of close distance coal seams with large depth and high stress, surrounding rock stress distribution law after upper seam mining was analyzed, and through contrasting and studying different layout location of roadway in lower seam, the optimum layout scheme was determined that the working face of lower seam was across the nearby face coal pillar of upper seam. The scheme made the transportation roadway and return airway effectively avoid the high stress area, and achieved good supporting effect, so it speeded up the project progress and released the tense situation of tunneling and mining.

Keywordsclose distance coal seams with large depth and high stress, lower coal seam, mining roadway layout, arrange across coal pillar

近距離煤層群開采過程中，上位煤層回采破壞了巖層應(yīng)力平衡狀態(tài)，頂?shù)装鍘r石發(fā)生塑性變形，巖體內(nèi)部的應(yīng)力重新分布，采空區(qū)應(yīng)力降低，區(qū)段煤柱上產(chǎn)生應(yīng)力集中。上位煤層采動(dòng)必然影響下位煤層圍巖應(yīng)力狀態(tài)，下位煤層中的回采巷道布置位置不佳將會(huì)引起巷道變形破壞嚴(yán)重，給巷道維護(hù)造成很大困難，影響巷道掘進(jìn)速度和穩(wěn)定時(shí)間。因此，上位煤層回采后，下位煤層工作面與上位煤層工作面相對位置和巷道布置問題是近距離煤層群開采過程中的一個(gè)難題。

1 概況

平煤股份八礦所采己15煤層和己16.17煤層層間距為2.8～9.8 m，煤層傾角平均為7°，己15煤層平均厚度為3.5 m，己16.17煤層平均厚度為1.3 m，目前采深620 m，為典型的大埋深、高應(yīng)力近距離煤層。上位己15煤層先開采，采空區(qū)處理為全部垮落法，區(qū)段煤柱為6 m左右，己16.17工作面原采用外錯(cuò)布置，即工作面雙巷分別布置于己15工作面區(qū)段煤柱下方，如圖1所示，采用錨網(wǎng)(索)拱支聯(lián)合支護(hù)，巷道支護(hù)斷面如圖2所示。

圖1 己15煤層和己16.17煤層原巷道布置剖面圖

圖2 原巷道支護(hù)斷面圖

采用該布置方案，己16.17兩巷壓力顯現(xiàn)明顯，施工中前掘后翻，移交前至少翻修一遍?；夭蛇^程中超前壓力加劇巷道破壞，不得不再次支護(hù)，不僅浪費(fèi)了大量的人力、物力，而且嚴(yán)重影響回采工效。

2 巷道破壞機(jī)理

根據(jù)研究，上部煤層開采后，巷道應(yīng)力分布及圍巖應(yīng)力變化規(guī)律如圖3所示。

(1)上位煤層回采后，頂板巖石垮落，如圖3(a)所示。此時(shí)在采空區(qū)實(shí)體煤一側(cè)的煤體和遺留的區(qū)段煤柱上出現(xiàn)了明顯高于原始應(yīng)力的集中應(yīng)力。

(2)上位煤層回采后，采空區(qū)處于低于原始應(yīng)力的降壓區(qū)，受煤柱支承應(yīng)力影響，采空區(qū)兩側(cè)靠近煤柱處應(yīng)力值最低，采空區(qū)內(nèi)隨著距煤柱距離增大，應(yīng)力逐漸升高，且應(yīng)力最高值小于原始應(yīng)力。

(3)遺留煤柱承受的集中應(yīng)力將向底板巖石傳遞。在底板巖石中，隨著深度增加傳遞范圍逐漸變寬，且應(yīng)力值隨著距煤柱距離增大而減弱，如圖3(b)所示，圖中壓力傳遞角α表示了傳遞范圍變寬的趨勢。

圖3 巷道應(yīng)力分布圖

(4)考慮到煤巖層存在傾角，受巖體自重應(yīng)力影響，無論是采空區(qū)一側(cè)的實(shí)體煤還是遺留下來的區(qū)段煤柱，應(yīng)力集中最嚴(yán)重的位置由垂直應(yīng)力最大值處向下山方向偏移。

(5)按照以前的設(shè)計(jì)方案，采用巷道外錯(cuò)布置，下位煤層巷道正好處于上位煤層煤柱底板應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)，如圖3(b)中的巷道A，圍巖壓力大，支護(hù)難度大，巷道極易被壓壞。

3 方案優(yōu)化

通過對原外錯(cuò)巷道破壞機(jī)理分析，下層巷道必須布置在應(yīng)力降低區(qū)，為此，初步確定3套方案，并進(jìn)行了分析：

(1)方案Ⅰ。己16.17工作面運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷與己15工作面運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷重疊布置，如巷道B和B′?？梢钥闯觯m然避開了上層煤柱的應(yīng)力集中區(qū)，也不在煤柱底板應(yīng)力峰值范圍內(nèi)，但仍處于己15工作面煤柱底板應(yīng)力集中區(qū)范圍之內(nèi)，巷道施工和支護(hù)仍然相當(dāng)困難。

(2)方案Ⅱ。己16.17工作面兩巷采用內(nèi)錯(cuò)布置，并且布置在煤柱底板應(yīng)力影響范圍之外，如巷道C和C′，如此，巷道處于應(yīng)力降低區(qū)，施工及維護(hù)容易，但工作面運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷均要損失較大的煤柱，如圖3(b)中的L1段。

(3)方案Ⅲ。將己16.17工作面跨上位己15煤層相鄰兩個(gè)工作面區(qū)段煤柱布置，實(shí)現(xiàn)跨煤柱回采，使運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷均布置于應(yīng)力降低區(qū)，并盡可能的遠(yuǎn)離己15煤柱底板應(yīng)力影響區(qū)域。

通過分析比較，方案Ⅲ中運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷既可以避開己15煤層區(qū)段煤柱底板集中應(yīng)力的影響，降低支護(hù)難度，而且克服了方案Ⅱ中較大的煤柱損失，提高了回采率。至于工作面中間位置處在煤柱應(yīng)力集中區(qū)下，對于綜采工作面來說，其影響程度遠(yuǎn)小于應(yīng)力集中對兩巷的影響。

4 方案設(shè)計(jì)

4.1 回采巷道錯(cuò)距

己16.17煤層與己15煤層回采巷道的最小錯(cuò)距可按下式計(jì)算：

L≥(h1+h2)tanα-B

(1)

式中：L——己16.17煤層與己15煤層回采巷道的錯(cuò)距，m；

h1——己16.17煤層與己15煤層間距，取最大值9.8 m；

h2——己16.17煤層厚度，取1.3 m；

α——己15煤柱壓力影響角，取40°；

B——己15煤層巷道寬度，取4.0 m。

將相關(guān)數(shù)值代入式(1)計(jì)算得L≥5.3 m，考慮到回采工作面端頭附近10 m內(nèi)頂板管理難度較大，確定錯(cuò)距L≥15 m，即己16.17煤層回采巷道跨煤柱布置時(shí)，與上位己15煤層巷道的錯(cuò)距應(yīng)不小于15 m。

因此，下位煤層回采巷道可采用跨煤柱的布置方式，下位己16.17煤層回采巷道分別布置在上位煤層遺留煤柱的兩側(cè)15 m以外，如圖4所示。

圖4 己15和己16.17煤層巷道布置圖

4.2 支護(hù)方案

由于采用方案Ⅲ，運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷均處于應(yīng)力降低區(qū)，所以不再采用錨網(wǎng)(索)拱支聯(lián)合支護(hù)，僅采用工字鋼架棚支護(hù)，斷面尺寸為3 m×3 m，棚距700 mm，棚腿扎角為76°，頂面和幫面各采用6塊木背板，并用500 mm×800 mm規(guī)格的鋼笆網(wǎng)剎嚴(yán)背實(shí)，幫頂棚腿各采用2道撐木打緊撐牢，增強(qiáng)支護(hù)整體性，如圖5所示。

圖5 梯形支架斷面圖

5 工程實(shí)例及效果

根據(jù)方案Ⅲ確定的原則，在己16.17-13030工作面進(jìn)行了實(shí)踐，該工作面可采走向長度1200 m，回采巷道采用跨煤柱布置方案后，確定與上位己15-13030工作面巷道錯(cuò)距為15 m，設(shè)計(jì)采用鋼梯支護(hù)，掘進(jìn)期間兩巷平均進(jìn)尺300 m/月，較己16.17-13070工作面采用傳統(tǒng)內(nèi)外錯(cuò)綜合布置平均進(jìn)尺200 m/月提高了50%，且工作面移交之前只進(jìn)行了局部拉底，提前2個(gè)月移交工作面，有效緩解了該采區(qū)的采掘接替緊張局面，并且節(jié)約人工成本36萬元、支護(hù)及維修成本552萬元、租賃費(fèi)25.2萬元，增加掘進(jìn)煤效益685.6萬元，共多創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益1298.8萬元。

6 結(jié)論

(1)近距離煤層上層開采后，在區(qū)段煤柱下方附近形成應(yīng)力集中區(qū)，在大埋深工作面顯現(xiàn)尤為突出。而在采空區(qū)下形成應(yīng)力降低區(qū)，下層工作面兩巷應(yīng)避開應(yīng)力集中區(qū)，布置在應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)。

(2)下位煤層工作面跨上層區(qū)段煤柱布置，兩巷布置在應(yīng)力降低區(qū)，即利于巷道維護(hù)，提高掘進(jìn)工效，又可避免為單純避壓的內(nèi)錯(cuò)布置造成的煤柱損失，同時(shí)，可減少回采期間工作面超前維護(hù)工作量，提高回采工效。

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(責(zé)任編輯 郭東芝)

Optimizationofminingroadwaylayoutschemeinlowerseamofclosedistancecoalseamswithlargedepthandhighstress

Sun Hailiang

(Pingdingshan Tianan Coal Industry Co., Ltd., Pingdingshan, Henan 467000, China)

TD821.2

A

孫海良. 大埋深高應(yīng)力近距離煤層下位煤層回采巷道布置方案優(yōu)化[J]. 中國煤炭，2017，43(9):48-50，72. Sun Hailiang. Optimization of mining roadway layout scheme in lower seam of close distance coal seams with large depth and high stress[J] .China Coal，2017，43(9): 48-50，72.

孫海良(1965-)，男，河南濟(jì)源人，本科，高級工程師，現(xiàn)任平煤股份開拓處處長。