近距離煤層復(fù)合型頂板下巷道布置方案分析

張 卓

(山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司 杜兒坪煤礦， 山西 太原 030022)

杜兒坪煤礦位于山西省太原市，1956年建礦，井田南北寬約6 km，東西長(zhǎng)約10 km，面積為68.180 4 km2. 礦井主要可采煤層為6層，即2#、3#、6#、7#、8#、9#煤層，總厚度16.37 m，煤種為貧煤、瘦煤和貧瘦煤。由于礦井2#和3#煤層層間距較小,為4.3 m；3#煤層頂板下部巖層強(qiáng)度低、撓度比上部巖層大，采后大量離層，屬?gòu)?fù)合型頂板；煤層群開采相互影響十分明顯。為較大程度降低南九盤區(qū)3#煤層在回采期間的巷道圍巖壓力，需要對(duì)該盤區(qū)73903工作面軌道巷開展巷道布置方案的研究，并通過圍巖應(yīng)力分析選擇科學(xué)的巷道掘送位置。本文分別對(duì)上部2#煤層回采后底板、3#煤層頂幫、3種巷道布置方案進(jìn)行了圍巖應(yīng)力研究，從技術(shù)角度選取科學(xué)方案布置以達(dá)到降本增效的目的。

1 73903工作面概況

73903工作面軌道巷位于杜兒坪煤礦南九盤區(qū)，巷道位于3#煤層，73903工作面北鄰南九盤區(qū)3#煤皮帶巷，東鄰73902工作面(已采)，西鄰73904工作面(未采)；上部為72903、72904工作面，現(xiàn)已回采完畢。工作面地面標(biāo)高1 415～1 580 m；蓋山厚度349～534 m，平均埋藏深度449 m. 73903工作面巷道布置圖見圖1， 圖2.

圖1 73903工作面巷道平面布置圖

圖2 73903工作面巷道剖面布置圖

礦井南九盤區(qū)賦存的2#和3#煤層為近距離煤層，73903軌道巷(3#煤層)布置位于上部72904工作面(2#煤層)采空區(qū)下方，73903皮帶巷(3#煤層)位于上部72903工作面(2#煤層)采空區(qū)下方。73903工作面巷道決定沿3#煤層頂板掘進(jìn)，全長(zhǎng)1 036 m.

2 3#煤層復(fù)合型頂板賦存特征

南九盤區(qū)73903工作面軌道巷沿3#煤層頂板布置，該煤層厚度為2.6～3.7 m，平均厚度3.22 m，距頂0.7 m左右含一層0.3 m左右的夾石(巖性為砂質(zhì)泥巖)，煤層傾角1°～8°，平均4°；3號(hào)煤層上方偽頂為泥巖，厚度為0.8～2.1 m，平均厚度1.5 m，灰黑色，質(zhì)較純，水平層理發(fā)育；直接頂為細(xì)粒砂巖，厚度為1.3～3.28 m，平均厚度2.1 m，灰白色，以石英長(zhǎng)石為主，暗色礦物次之；頂部有一層0.47～1.31 m砂質(zhì)泥巖，含植物化石，平均厚度0.7 m；再往上是2號(hào)煤層，厚度為3.55～3.66 m，平均厚度3.6 m.

3#煤層直接底為砂質(zhì)泥巖，厚度為5.47～5.71 m，平均厚度5.6 m，灰黑色，上部含砂質(zhì)較多，含植物化石，層面有滑感；直接底往下為粗粒砂巖，厚度為6.2～11.34 m，平均厚度8.6 m，灰色，以石英長(zhǎng)石為主，暗色礦物次之，分選差，含巖屑，膠結(jié)疏松，塊狀構(gòu)造。

根據(jù)復(fù)合頂板一般具有的特征，即：煤層頂板是由上“硬”下“軟”的不同巖性巖層組成；兩個(gè)“軟、硬”巖層間夾有煤線或薄層軟弱巖層；下部軟巖層厚度一般在0.5～3 m[1]. 從南九盤區(qū)3#煤層73903工作面柱狀圖(圖3)可以看出，3#煤層頂板以0.3 m夾石、1.5 m泥巖、2.1 m細(xì)粒砂巖和0.7 m的砂質(zhì)泥巖為主，距上部2#煤層層間距離約為4.3 m，屬于典型的復(fù)合型頂板，因此受上部2#煤層開采影響較為明顯。

3 3#煤層圍巖應(yīng)力分析

3.1 3#煤層復(fù)合型頂板垂直應(yīng)力分析

在近距離煤層群開采過程中，由于上下部煤層的賦存條件和頂?shù)装鍘r性差異，當(dāng)上部煤層回采后，決定下部煤層圍巖應(yīng)力大小的關(guān)鍵是兩個(gè)煤層的層間距。若煤層層間距較大，則下部煤層受到上部煤層的圍巖應(yīng)力就小，回采過程中巷道變形及工作面帶壓程度相對(duì)較弱；反之則圍巖應(yīng)力較強(qiáng)，巷道掘送、工作面回采、頂板與圍巖控制較困難。 此外，若下部煤層為復(fù)合型頂板，頂板在受壓后產(chǎn)生的變形、離層、漏冒隱患也將增大，承壓力將大幅減弱[2-3].

杜兒坪煤礦南九盤區(qū)2#、3#煤層是典型的近距離復(fù)合型頂板煤層， 當(dāng)上部2#煤層回采后，下部3#煤層受到的圍巖應(yīng)力將大幅提升。特別是當(dāng)兩個(gè)煤層層間距逐步減小，2#煤層在回采過程中對(duì)3#煤層頂板的破壞就會(huì)逐步增大，同時(shí)受2#煤層內(nèi)采空區(qū)矸石充填和區(qū)段煤柱的集中壓力顯現(xiàn)，3#煤層頂板的圍巖應(yīng)力將重新分布并達(dá)到新的平衡，這期間要經(jīng)歷“承壓、釋放壓力、壓力穩(wěn)定”3個(gè)階段，3#煤層的頂板結(jié)構(gòu)和圍巖應(yīng)力環(huán)境也將發(fā)生大幅度改變。

3#煤層頂板深度圍巖垂直應(yīng)力分布圖見圖4. 由圖4可知，當(dāng)上部2#煤層開采后， 3#煤層頂板受到的垂直應(yīng)力影響十分明顯，頂板垂直應(yīng)力明顯高于原巖應(yīng)力，呈現(xiàn)“馬鞍型”分布，即中間低兩邊高。隨著兩個(gè)煤層層間距逐步減小，3#煤層頂板垂直應(yīng)力距原巖應(yīng)力越來越遠(yuǎn)、集中程度越來越小、應(yīng)力峰值越來越大，應(yīng)力峰值將趨向于“拱形”。經(jīng)計(jì)算,南九盤區(qū)3#煤層頂板深度在4.3 m，此時(shí)巖層垂直應(yīng)力最大值為21.8 MPa，說明該盤區(qū)3#煤層復(fù)合型頂板承受垂直應(yīng)力較大。

圖3 73903工作面鉆孔柱狀圖

圖4 3#煤層頂板深度圍巖垂直應(yīng)力分布圖

3.2 3#煤層圍巖應(yīng)力分析

對(duì)南九盤區(qū)3#煤層頂板和巷幫煤巖體的原位強(qiáng)度測(cè)試可知，3#煤層頂板砂質(zhì)泥巖的平均單軸抗壓強(qiáng)度為32.46 MPa、細(xì)砂巖的平均單軸抗壓強(qiáng)度為67.89 MPa. 3#煤層煤體強(qiáng)度為10～22 MPa，平均單軸抗壓強(qiáng)度為13.65 MPa. 此外，3#煤層最大水平主應(yīng)力為13.67 MPa、最小水平主應(yīng)力為6.94 MPa、頂板垂直應(yīng)力最大值為 21.8 MPa.

根據(jù)應(yīng)力場(chǎng)相關(guān)判斷標(biāo)準(zhǔn)：大于30 MPa為超高應(yīng)力區(qū)、18～30 MPa為高應(yīng)力區(qū)、10～18 MPa為中等應(yīng)力區(qū)、0～10 MPa為低應(yīng)力區(qū)。南九盤區(qū)3#煤層地應(yīng)力場(chǎng)屬于高應(yīng)力場(chǎng)，地應(yīng)力整體數(shù)值量較高，作用在3#煤層的地應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度較強(qiáng)。此外，3#煤層煤體的單軸抗壓強(qiáng)度和水平主應(yīng)力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于上部煤層產(chǎn)生垂直應(yīng)力，因此平均厚度4.3 m的3#煤層頂板受到的巖層垂直應(yīng)力是影響巷道布置的關(guān)鍵。

4 73903工作面軌道巷布置方案

4.1 3種巷道布置方案

根據(jù)南九盤區(qū)上、下部煤層的圍巖應(yīng)力分析，設(shè)計(jì)了3種不同巷道布置方案：方案一內(nèi)錯(cuò)布置，73903軌道巷內(nèi)錯(cuò)72903尾巷13 m，位于72904工作面采空區(qū)下方；方案二重疊布置，73903軌道巷布置在72903尾巷下方；方案三外錯(cuò)布置，73903軌道巷外錯(cuò)72903尾巷15 m，位于上部72903正巷和72903尾巷間煤柱正下方。73903工作面軌道巷布置方案見圖5.

4.2 3種巷道布置方案圍巖應(yīng)力分析

方案一：73903軌道巷布置在內(nèi)錯(cuò)72903尾巷13 m，位于72904工作面采空區(qū)下方時(shí)，巷道巖層垂直應(yīng)力值處于原巖應(yīng)力值以下，屬于巖層垂直應(yīng)力的降低區(qū)域，數(shù)值低于5 MPa，受到的巖層垂直應(yīng)力最小。方案二：73903軌道巷布置在72903尾巷下方時(shí)，巷道巖層垂直應(yīng)力值仍處于原巖應(yīng)力以上，數(shù)值在2～17 MPa，平均10 MPa，此時(shí)受到的巖層垂直應(yīng)力仍然較小，屬于低應(yīng)力區(qū)。方案三：73903軌道巷布置在外錯(cuò)72903尾巷15 m，位于上部72903正巷和72903尾巷間煤柱正下方時(shí)，巖層垂直應(yīng)力最高，數(shù)值處于20～25 MPa，為高應(yīng)力區(qū)；此時(shí)巖層垂直應(yīng)力集中顯現(xiàn)，與兩個(gè)煤層層間距較近、復(fù)合型頂板、上部煤柱壓力承載大等因素有關(guān)。因此，在此種方案施工下，73903軌道巷開掘后巷道圍巖破壞嚴(yán)重。不同布置方式下圍巖應(yīng)力對(duì)比見圖6.

圖5 73903工作面軌道巷布置方案圖

圖6 不同布置方式下圍巖應(yīng)力對(duì)比圖

對(duì)比方案一和方案二可以明顯看出,采用方案二時(shí)，巷道巖層垂直應(yīng)力陡然增加，尤其是巷道左幫，垂直應(yīng)力峰值超過了15 MPa；而采用方案一時(shí)，巖層垂直應(yīng)力低于5 MPa. 不僅如此，采用方案二，巷道左右兩幫受力不均衡，表現(xiàn)為巷道左幫應(yīng)力明顯高于巷道右?guī)停锏雷髱痛怪睉?yīng)力大于右?guī)图s10～15 MPa，巷道左右?guī)蛻?yīng)力分布不均、受力不均衡，不利于巷道的使用。

5 結(jié) 論

1) 對(duì)于近距離煤層群開采，兩個(gè)煤層層間距的大小是決定下部煤層圍巖應(yīng)力大小的關(guān)鍵。若煤層層間距較小，則下部煤層受到上部煤層的圍巖應(yīng)力就大，回采過程中巷道變形及工作面帶壓程度相對(duì)較強(qiáng)。

2) 復(fù)合型頂板下煤層易受到來自頂板受壓后變形、離層、漏冒的影響，在布置巷道時(shí)應(yīng)選擇巖層垂直應(yīng)力較低的區(qū)域，并做好煤體的原位強(qiáng)度測(cè)試，為測(cè)算提供理論數(shù)據(jù)支持。

3) 通過南九盤區(qū)73903工作面軌道巷3種布置方案的對(duì)比分析，當(dāng)73903軌道巷采用內(nèi)錯(cuò)72903尾巷13 m，位于72904工作面采空區(qū)下方布置時(shí)，巷道處于3#煤層頂板垂直應(yīng)力的降低區(qū)，巷道所受到圍巖應(yīng)力較小，有利于后期巷道的維護(hù)和使用。