煤層群遺留煤柱回采巷道布置方案研究

（西山煤電集團西曲礦，山西 古交 030200）

許多礦井由于受賦存條件、開采技術或者地面構筑物的影響，造成部分區(qū)域煤層遺留，未進行開采。隨著技術的進步和問題的解決，遺留煤柱的開采被重新評估和開采，此類煤層往往處于上下部煤層開采過后的采空區(qū)中間。因此，煤層受力比較復雜，巷道的布置更難以確定，因此需對開采煤柱的煤層巷道合理位置進行研究[1-3]。

1 工程概況

西曲礦現(xiàn)計劃開采的14308工作面位于南三盤區(qū)北部，工作面上覆2#、3#煤12314采空區(qū)，下伏8#煤18307采空區(qū)。工作面所采4#煤與2#、3#煤層間距約7～12m，平均為9.4 m與8#煤層間距約35～42m，平均37.5 m。14308工作面開采4#煤層，4#煤層厚度不穩(wěn)定，煤層厚度2.00～3.25m，平均2.80m，煤層結構復雜。4#煤上部普遍含有一層泥巖夾石，將4#煤層分為上下兩個分層，夾石厚度變化較大，最厚處可達0.65 m。煤層整體傾向南西，平均傾角3°。上部2#、3#煤層平均厚度為4.28m，下部8#煤層平均厚度為4 m。14308工作面頂?shù)装鍘r層巖性見表1。

圖1 14308工作面相對位置

表1 4#煤層頂?shù)装迩闆r

2 上層煤開采對下層煤（中部）巷道布置影響分析

2.1 上層煤工作面開采最大破壞深度分析

上部2#、3#煤層12314工作面開采后，工作面采空區(qū)頂板巖層垮落，勢必會對工作面底板巖層造成破壞，若破壞深度較小，則對下部4#煤層的開采影響較小；若破壞深度較大，則對下部4#煤層的開采造成一定的影響，4#煤層工作面需要避開嚴重影響區(qū)布置巷道。因此，首先對12314工作面開采后造成的底板破壞深度進行分析，建立如下力學模型[1]。

圖2 2#、3#煤層底板破壞力學模型

根據(jù)前人研究可以得到在上部12314工作面開采后的遺留煤柱應力傳遞影響下，對底板巖層的最大破壞深度見式（1）[4]：

實測西曲礦12314工作面開采后煤壁側塑性區(qū)寬度x0為5.5m，取煤層內(nèi)摩擦角φ=35°，代入上述公式中，可以得到12314工作面開采后對底板巖層的最大破壞深度為13m，超過了2#、3#煤與4#煤層的層間距9.4m，上部煤層工作面的開采對其下部4#煤層產(chǎn)生了擾動破壞，4#煤層14308工作面巷道布置時需避開上部工作面遺留煤柱應力集中區(qū)。

2.2 中部4#煤層巷道錯距分析

在選取中部4#煤層巷道位置時，需避開上部2#、3#煤層工作面遺留煤柱集中應力的影響，建立煤柱應力傳遞模型見圖3。

圖3 遺留煤柱應力傳遞模型

分析可知，中部4#煤層14308工作面巷道需要內(nèi)錯距[1]為：

式中：θ為應力傳遞影響角，取40°；h1為2#、3#煤與4#煤層間距；h2為4#煤厚度。

代入計算可得l=10.3m，因此，僅考慮上部煤層工作面影響時，中部4#煤層14308工作面巷道僅需內(nèi)錯10.3 m布置即可避開上部4#煤層工作面遺留煤柱應力集中區(qū)。

3 下部8#煤層開采對中部4#煤層巷道布置影響分析

3.1 下部8#煤層開采“三帶”分析

下部8#煤層開采，導致上覆煤巖層發(fā)生移動變形破壞。若中部煤層位于下部煤層采空區(qū)形成的垮落帶內(nèi)，則不可進行開采；若位于裂隙帶內(nèi)，則可以采取一定安全措施后進行開采。因此，需要對“兩帶”高度進行計算。采用兩帶經(jīng)驗計算見式（2）[5]。

式中：H1為垮落帶高度，H2為裂隙帶高度，m1為下部煤層工作面采高，取4.05 m。

代入可得：下部8#煤層18307工作面開采后，垮落帶高度為10.65±2.2m，裂隙帶高度為40.18±5.6 m。8#煤層與4#煤層層間距為37.5m，即4#煤層位于8#煤層開采形成的裂隙帶內(nèi)，且在上部影響較小，但仍需考慮由下部煤層工作面開采引起的巖層下沉，盡量避開裂隙發(fā)育程度較高的區(qū)域。

3.2 中部4#煤層巷道錯距分析

圖4 采場上覆巖層移動特點

下部8#煤層18307工作面采空后，頂板巖層垮落充滿采空區(qū)，上覆巖層發(fā)生下沉變形，在下沉變形過程中會形成一個采空區(qū)邊界影響區(qū)L見圖4，邊界影響區(qū)包含L1和L2，L1為下部8#煤層遺留煤柱影響區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)受煤柱應力傳遞影響，應力較高，不適合布置巷道；L2為下部煤層開采下沉變形裂隙影響區(qū)域，受下沉變形影響，此范圍內(nèi)煤層水平位移較大，裂隙發(fā)育程度較高，圍巖較為破碎，此范圍內(nèi)若布置巷道則難以支護[6]。因此，中部4#煤層巷道需避開此范圍進行布置。采空區(qū)邊界影響區(qū)長度由下式進行計算[6]。

式中：α為煤層傾角，取3°；M1為中部煤層與下部煤層之間層間距，取37.5 m；μ為充分采動角，取74°；a為邊界角，取80°。

代入計算可得采空區(qū)邊界影響區(qū)L為17 m。其中L1遺留煤柱影響區(qū)域為9m，L2下沉變形裂隙影響區(qū)域為8 m。

綜上所述，中部4#煤14308工作面開采布置巷道時，需綜合考慮上下煤層工作面開采垮落的影響。需避開上部2#、3#煤層12314工作面開采遺留煤柱影響區(qū)域10.3m，還需避開下部8#煤層18307工作面開采引起的下沉變形區(qū)域，其遺留煤柱影響區(qū)域為9 m；下沉變形裂隙影響區(qū)域為8 m。因此，中部4#煤層14308工作面回采巷道需外錯9 m或者內(nèi)錯10.3 m進行布置。

4 巷道位置數(shù)值模擬研究

根據(jù)西曲礦2#、3#煤層、4#煤層、8#煤層具體地質條件，通過UDEC建立數(shù)值模擬模型，開采上部2#、3#煤層12314工作面，待其垮落穩(wěn)定后，進一步開采下部8#煤層18307工作面，待其穩(wěn)定后，針對中部4#煤層14308工作面進行巷道位置設計研究，共布置6個巷道方案，分別為外錯10m、外錯5m、重疊式、內(nèi)錯5m、內(nèi)錯10m、內(nèi)錯15 m。分別記錄其巷道變形量，統(tǒng)計、分析得到圖5。

圖5 不同位置巷道變形量

由圖可知，外錯式布置巷道圍巖變形量遠大于內(nèi)錯式布置巷道，內(nèi)錯距離達到10 m左右，巷道變形最小，綜合考慮以上分析因素，中部4#煤層14308工作面采用內(nèi)錯式11 m布置巷道。

5 結語

理論計算、模擬分析結果表明：2#、3#煤層12314工作面開采后對底板的最大破壞垂直深度為13 m；其遺留煤柱對中部4#煤層影響區(qū)域水平距離為10.3 m；8#煤層18307工作面開采垮落煤柱影響區(qū)域水平距離為9m，下沉變形裂隙區(qū)域水平距離為8 m；最后通過UDEC數(shù)值模擬分別研究了外錯、重疊、內(nèi)錯6個巷道布置方案，最終通過多因素分析確定西曲礦14308工作面巷道內(nèi)錯11 m布置。