近距離雙厚煤層變層間距條件下回采巷道布置方式研究

郭偉亮，常毛毛，宋曉寒

（1.陜西小保當(dāng)?shù)V業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000；2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；3.天地科技股份有限公司，北京 100013）

0 引言

近距離特厚煤層群在開采過程中，會引起回采空間周圍巖層應(yīng)力重新分布，受載條件復(fù)雜，煤柱的應(yīng)力集中將向底板巖層深部傳遞，造成布置在底板巖層中或近距離煤層中的巷道整體力學(xué)性能變差，變形急劇增大。因此，上下煤層工作面的位置關(guān)系與回采巷道布置的問題是一個難題。針對近距離上下位煤層回采巷道布置方式，國內(nèi)外已經(jīng)展開了大量的研究工作，取得了一定的研究成果。何富連等[1]分析了主應(yīng)力差與應(yīng)力降低區(qū)因素對近距離下部煤層巷道合理內(nèi)錯距離的影響，認(rèn)為巷道應(yīng)布置于低主應(yīng)力差環(huán)境；趙智楠[2]分析了極近距離遺留煤柱底板變形破壞機(jī)理，將底板巖層破壞區(qū)分為主動應(yīng)力Ⅰ區(qū)、過渡Ⅱ區(qū)及被動應(yīng)力Ⅲ區(qū)；丁國利[3]建立了上層采空區(qū)和殘留煤柱的力學(xué)模型，對比了采空區(qū)下回采巷道不同錯距的受力情況，提出了一種合理的巷道布置方式；陳朋磊[4]通過對巷道圍巖特性的研究，確定了合理的外錯布置距離，配合高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力錨索、錨桿支護(hù)，有效解決了巷道高應(yīng)力問題；戴文祥[5]研究了上覆煤柱集中應(yīng)力在底板的傳遞特征，分析了煤柱的相對位置對下位煤層回采巷道的影響；其他學(xué)者也對不同條件下的近距離煤層群開采進(jìn)行了大量有意義的研究[6-10]。國內(nèi)外現(xiàn)有研究表明，近距離煤層巷道布置與上下煤層厚度、層間距以及原巖應(yīng)力水平等因素有關(guān)，在近距離煤層群均為特厚煤層且層間距變化較大的條件下，如何合理調(diào)整下煤層回采巷道與上煤層采空區(qū)遺留煤柱的位置關(guān)系，還缺乏相關(guān)研究。因此，筆者基于鄂爾多斯地區(qū)準(zhǔn)旗煤礦近距離特厚煤層群的特殊條件，研究了在變層間距條件下下位煤層回采巷道合理的布置方式。

1 概 況

鄂爾多斯地區(qū)準(zhǔn)旗煤礦目前開采6上煤層一采區(qū)和二采區(qū)，兩采區(qū)均以6上煤與6 號煤分叉區(qū)為主，采用綜采放頂煤工藝進(jìn)行分層開采。隨著礦井一采區(qū)6上煤層開采逐漸進(jìn)入尾聲，礦井煤炭開采將逐步轉(zhuǎn)入下部的6 號煤層開采，6 煤首采工作面擬布置在一采區(qū)南翼東側(cè)的6上115 工作面下方。6上煤層位于石炭系上統(tǒng)太原組第二巖段上部，煤層埋藏深度為122.10～629.19 m，平均364 m，煤層厚度一般在4.50～26.22 m，平均13.63 m，屬特厚煤層。6 號煤層位于石炭系上統(tǒng)太原組第二巖段下部，煤層埋藏深度為131.01～650.72 m，平均380.19 m，煤層厚度為1.25～13.32 m，平均6.49 m，以厚～特厚煤層為主。6 號煤層頂板以泥巖為主，局部為粗粒砂巖，距6上煤層間距為0.04～30.75 m，主要分布在25 m 以下，平均9.38 m，且層間距變化較大，其中6 煤首采工作面所在位置上下煤層層間距分布在2～26 m，平均為23 m。一采區(qū)南翼6上煤與6 煤層間厚度分布如圖1 所示。

圖1 一采區(qū)南翼6上煤與6 煤層間厚度分布Fig.1 Thickness distribution between No.6 upper coal seam and No.6 coal seam in the south wing of No.1 mining area

2 近距離煤層回采巷道布置方式的選擇

近距離煤層群下位煤層回采巷道相對于上位煤層的布置方式主要有內(nèi)錯式布置（平移布置是一種變相的內(nèi)錯布置）、外錯布置和重疊布置等方式。近距離煤層開采時，上位區(qū)段煤柱將承受較大的支承壓力，集中應(yīng)力系數(shù)可達(dá)3～6 倍，外錯式和重疊式布置方式都不可避免地受到上煤層區(qū)段煤柱支承壓力的影響，巷道維護(hù)較為困難；而上煤層開采后，采空區(qū)的頂板壓力得到釋放，處于原巖應(yīng)力區(qū)或者卸壓區(qū)。根據(jù)砌體梁理論，煤層開采后，上位巖層能形成“砌體梁”式的平衡，使回采工作面空間依然處于已破裂而互相擠壓的巖塊形成的結(jié)構(gòu)保護(hù)下。因此，一般在工作面后方及護(hù)巷煤柱兩側(cè)一定距離內(nèi)形成減壓區(qū)。下煤層巷道內(nèi)錯布置可以充分利用減壓區(qū)的優(yōu)勢，有利于回采巷道穩(wěn)定（圖2）。從我國近距離煤層群開采實踐來看，內(nèi)錯布置方式運(yùn)用較多，外錯布置相對較少，而近年來，平移式布置逐漸成為我國近距離煤層開采下煤層回采巷道的又一種主要布置方式（圖3）。因此，為了使6 煤回采巷道避開上煤層遺留煤柱的高應(yīng)力影響，并避免純內(nèi)錯布置造成的下煤層煤柱留設(shè)過大問題，一采區(qū)6 煤回采巷道可采用平移布置方式，使6 號煤工作面兩條回采巷道均位于上煤層采空區(qū)下方，且煤柱損失較小。

圖2 內(nèi)錯布置Fig.2 Inner crossing layout

圖3 平移布置Fig.3 Horizontal displacement layout

3 近距離煤層回采巷道布置數(shù)值模擬

采用FLAC3D 數(shù)值模擬軟件對6上煤回采動壓影響下的6 煤巷道合理布置位置進(jìn)行研究，模擬在上部6 煤開采后，不同底板深度和不同水平位置條件下6 煤回采巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境的變化，進(jìn)而判斷6 號煤回采巷道合理的水平錯距。以6 煤首采工作面區(qū)域鉆孔柱狀圖為原始條件，6 號煤層厚度取9 m，6上煤厚度取10 m，據(jù)南翼一采區(qū)不同區(qū)域6上煤與6 號煤層層間距的分布特征，按間距為25 m和層間距為10 m 分別建立數(shù)值模型進(jìn)行模擬。模型中6上煤回采工作面之間的區(qū)間煤柱寬度取30 m。模型長度均為470 m。

3.1 煤柱下方底板應(yīng)力分布特征

在上部6上煤相鄰兩工作面依次開挖后，得出遺留煤柱下方垂直應(yīng)力等值線云圖，具體如圖4 所示。通過在底板不同深度設(shè)置水平監(jiān)測線，得到煤柱下方不同深度垂直應(yīng)力沿傾向分布曲線，如圖5所示。

圖4 煤柱下垂直應(yīng)力等壓線分布Fig.4 Distribution of vertical stress isobaric line under coal pillar

圖5 遺留煤柱下方不同深度垂直應(yīng)力沿傾向分布曲線Fig.5 Vertical stress distribution curve along the tendency at different depths under the remaining coal pillar

可見煤柱下方不同區(qū)域垂直應(yīng)力值具有顯著差別，根據(jù)所受煤柱集中應(yīng)力影響程度的不同，沿水平方向可以將煤柱下方底板大致分為3 個區(qū)（圖5）：A 區(qū)為煤柱下方集中應(yīng)力區(qū)；B 區(qū)為煤柱集中應(yīng)力擴(kuò)散區(qū)；C 區(qū)為應(yīng)力恢復(fù)或原巖應(yīng)力區(qū)。3 個區(qū)域沿煤柱中心線基本呈對稱分布。A 區(qū)位于煤柱正下方，應(yīng)力集中程度最高，如在該區(qū)域內(nèi)布置下煤層巷道，必然會加劇下位巷道變形破壞；B 區(qū)仍在煤柱集中應(yīng)力影響之下，且受到偏應(yīng)力影響，下位巷道掘進(jìn)時靠近煤柱側(cè)幫部變形破壞往往要比另一側(cè)嚴(yán)重；C 區(qū)已基本擺脫煤柱集中應(yīng)力的影響，由于巷道兩側(cè)應(yīng)力環(huán)境相近，巷道掘進(jìn)時兩幫變形破壞程度也基本一致，且處于較低水平，因此，在此區(qū)域布置巷道較為適宜。

隨著底板深度的增加，煤柱下方底板集中應(yīng)力峰值及應(yīng)力集中系數(shù)呈線性遞減趨勢（圖6）。煤柱下方5 m 底板支承壓力峰值大小為11 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.65；到煤柱下方25 m 時，底板支承壓力峰值降為8.53 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)降為1.83。但集中應(yīng)力的擴(kuò)散范圍隨著底板深度的增加呈現(xiàn)增大趨勢，如：底板深度5 m 處，應(yīng)力集中影響范圍僅限于煤柱下方區(qū)域，而當(dāng)?shù)装迳疃葹?5 m 時，集中應(yīng)力的影響范圍已擴(kuò)大至煤柱邊緣27 m 左右。

圖6 煤柱下方不同底板深度集中應(yīng)力峰值及應(yīng)力集中系數(shù)分布Fig.6 Distribution of stress concentration peak and stress concentration factor of different floor depth under coal pillar

3.2 不同層間距、水平錯距下煤層巷道應(yīng)力環(huán)境數(shù)值模擬

在6上煤區(qū)段煤柱兩側(cè)工作面依次回采，并且待圍巖恢復(fù)穩(wěn)定后，在距離區(qū)段煤柱不同位置對6煤回采巷道進(jìn)行掘進(jìn)開挖模擬。模擬計算中，按照6 號煤層回采巷道與同側(cè)6上煤回采巷道水平錯距的不同，共分煤柱正下方、外錯5 m、內(nèi)錯5、10、15、20、25、30、35、40 m 等11 個方案進(jìn)行模擬。當(dāng)上下煤層層間距為25 m 和層間距為10 m時，6 煤巷道及6上遺留煤柱下方垂直應(yīng)力分布情況分別如圖7 和圖8 所示（受篇幅所限，此處僅列出部分模擬結(jié)果）。

圖7 層間距25 m 時6 煤巷道圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)Fig.7 Stress distribution state of surrounding rock in 6 coal roadway with 25 m layer spacing

圖8 層間距10 m 時6 煤巷道圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)Fig.8 Stress distribution state of surrounding rock in 6 coal roadway with 10 m layer spacing

由圖7 可知，在層間距為25 m 條件下，隨著遠(yuǎn)離上方遺留區(qū)段煤柱，6 煤巷道深部圍巖所處的應(yīng)力環(huán)境逐步改善。當(dāng)6 煤巷道布置在煤柱的正下方時，巷道整個處于煤柱高集中應(yīng)力作用范圍內(nèi)，巷道易發(fā)生嚴(yán)重的變形破壞。當(dāng)6 煤巷道外錯6上煤回采巷道5 m 布置時，此時6 煤巷道靠近煤柱邊緣，但仍處于煤柱下方，巷道圍巖應(yīng)力相比沿煤柱中心布置時應(yīng)力環(huán)境有所改善，但巷道仍位于高應(yīng)力區(qū)內(nèi)，且巷道右?guī)停拷褐行膸停?yīng)力大于左幫，易造成兩幫不對稱變形。在6 煤巷道采用內(nèi)錯布置后，6 煤巷道位于采空區(qū)下方，且隨著與區(qū)段煤柱水平距離的增加，巷道圍巖應(yīng)力明顯降低，但右?guī)拖锏郎畈繃鷰r應(yīng)力始終大于左幫，巷道右?guī)臀疵撾x煤柱支承壓力的影響。當(dāng)6 煤巷道內(nèi)錯6上煤巷道30 m 布置時，巷道兩幫開始均位于原巖應(yīng)力區(qū)內(nèi)，兩幫圍巖應(yīng)力分布特征基本相同，巷道深部圍巖應(yīng)力降低至原巖應(yīng)力，此時巷道避開了煤柱下方的高應(yīng)力區(qū)，進(jìn)入一個應(yīng)力較低且相對穩(wěn)定的區(qū)域。

由圖8 可知，當(dāng)層間距為10 m 時，6 煤巷道圍巖應(yīng)力變化規(guī)律與層間距25 m 時基本相同，但是隨著6 煤巷道與6上煤區(qū)段煤柱水平內(nèi)錯距離的增加，巷道圍巖應(yīng)力下降幅度更為顯著。當(dāng)6 煤巷道內(nèi)錯6上煤巷道20 m 布置時，巷道兩幫開始均位于原巖應(yīng)力區(qū)內(nèi)，兩幫圍巖應(yīng)力分布特征基本相同，巷道深部圍巖應(yīng)力降低至5 MPa 以內(nèi)，進(jìn)入一個應(yīng)力較低且相對穩(wěn)定的區(qū)域。

因此，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分析，在6上煤與6煤層間距為25 m 時，在6上煤煤柱集中應(yīng)力的影響下，6 煤巷道合理布置的方式為內(nèi)錯于同側(cè)6上煤回采巷道不小于30 m 的距離；當(dāng)層間間距為10 m時，內(nèi)錯距離為不小于20 m。一采區(qū)6上煤與6 煤層間距主要分布在25 m 以下，平均為9.38 m，因此，兼顧不同層間距條件下6 煤工作面巷道布置，6 煤巷道內(nèi)錯同側(cè)6上煤巷道的距離應(yīng)不小于30 m。

4 6 煤工作面回采巷道布置方案

綜合理論分析與數(shù)值模擬結(jié)果，位于采區(qū)邊界的6 號煤層首采工作面回采巷道采用內(nèi)錯式布置，后續(xù)工作面回采巷道采用平移式布置，在實際布置當(dāng)中，為減少礦井邊界附近煤炭損失，6 煤首采工作面輔運(yùn)順槽與6上115 工作面輔運(yùn)順槽之間留5 m 小煤柱，6 煤接替工作面的輔運(yùn)順槽與6上115工作面膠運(yùn)順槽的內(nèi)錯距取30 m（圖9），確保下位巷道處于良好應(yīng)力環(huán)境，減少煤炭資源損失。

圖9 6 煤工作回采面巷道布置斷面示意Fig.9 Layout section of mining roadway in No.6 coal seam face

5 結(jié)論

（1）為了使6 煤回采巷道避開上煤層遺留煤柱的高應(yīng)力影響，并避免純內(nèi)錯布置造成的下煤層煤柱留設(shè)過大問題，平移式布置是一種理想的布置方式。

（2）在上煤層遺留區(qū)段煤柱下方底板垂直應(yīng)力沿水平方向大致分為煤柱下方集中應(yīng)力區(qū)（A區(qū)）、煤柱集中應(yīng)力擴(kuò)散區(qū)（B 區(qū)）、應(yīng)力恢復(fù)或原巖應(yīng)力區(qū)（C 區(qū)）；為免受上煤層區(qū)段煤柱集中應(yīng)力的影響，C 區(qū)是下煤層巷道理想的布置區(qū)域；集中應(yīng)力的擴(kuò)散范圍隨著底板深度的增加呈現(xiàn)增大趨勢，當(dāng)?shù)装迳疃葹?5 m 時，6上煤區(qū)段煤柱集中應(yīng)力的影響范圍為距煤柱邊緣27 m 左右。

（3）根據(jù)不同層間距和水平錯距下煤層巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境數(shù)值模擬結(jié)果分析，為兼顧變層間距條件下6 煤工作面巷道布置，6 煤巷道內(nèi)錯同側(cè)6上煤巷道的距離應(yīng)不小于30 m，并對6 煤首采工作面和接續(xù)工作面的回采巷道布置方案進(jìn)行了設(shè)計。