淺埋近距離煤層群上下煤層同采巷道布置優化＊

李福勝

（1.中國礦業大學（北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083；2.中國神華國際工程有限公司，北京市東城區，100007）

在神東地區賦存大量淺埋深煤層群，煤層間距由10 m至40 m不等。由于埋深較淺，巷道圍巖應力場不同于普通深井巷道，而多數礦井采用上下煤層同采才能達產，兩近距離煤層同采過程中，其應力場相互影響，因此，淺埋深上下同采工作面巷道圍巖應力場呈現出不同的特點，根據該特點確定合理巷道布置方式對降低支護難度、保證礦井高產高效有重要意義。我國許多學者對不同地質條件下巷道布置方式進行了系統的研究，索永錄、魯印英、李世昌、李斌等對極近距離、高瓦斯、急傾斜等不同條件下煤層群下層煤工作面巷道合理布置位置進行了系統的研究，但對于淺埋深上下煤層同采工作面鮮有研究。本文針對神華李家豪煤礦2－2煤層和3－1煤層同采時巷道的合理布置問題進行研究，分析了不同布置方式、不同錯距條件下的應力場，為淺埋近距離煤層巷道合理布置提供了理論依據。

1 工程概況

李家壕礦井田賦存多層可采煤層，傾角1°～3°，地質構造簡單，煤層埋深80～400 m；該礦煤層柱狀圖如圖1所示。2－2上煤層、2－2下煤層和3－1上煤層都不穩定，為零星可采煤層，2－2中煤層和3－1煤層為主采煤層。礦井投產初期需要600萬t／a才能達產，2－2煤層和3－1煤層同采才能滿足生產要求。2－2中煤層可采厚度0.80～4.75 m，平均2.02m，首采工作面為11208工作面。3－1煤層自然厚度0.75～8.23 m，平均4.08 m，可采厚度0.80～7.05 m，平均3.86 m。首采工作面為12108工作面，采用單一傾斜長壁后退式全部垮落綜合機械化俯斜開采的采煤方法。

圖1 李家壕煤礦煤層柱狀圖

2 巷道布置方式的選擇

在煤層開采之后，2－2煤層頂底板應力重新分布，頂底板巖體發生位移變形，甚至破壞。工作面后方已經開采的區域頂板巖層的重量會移至其四周未被采動煤巖層上，因此采空區周圍形成支承壓力帶，分別為移動性支承壓力、固定支承壓力和采空區支承壓力。11208工作面巷道外幫煤壁受側向支承壓力區的影響，存在應力峰值，內幫為減壓區，如圖2所示。

圖2 上煤層開采后側向支承壓力

由于下煤層厚度為上煤層的2倍，選擇巷道布置方式時，應重點考慮下煤層回收率及巷道維護難易程度。

若3－1煤層巷道選擇內錯式，其巷道將布置于減壓區下方，應力不大，巷道易于施工和維護。但回采過程中受上煤層采動影響劇烈，位移量較大，而且當采用錨桿支護巷道時巷道不會得到有效的錨固，支護效果很差，巷道維護較困難，工作面長度有所縮短，資源回收率降低。若采用重疊式，回采期間巷道頂板受應力集中較大，且煤柱處于上煤層形成的高剪應力區，礦壓顯現劇烈，給下煤層回采巷道的掘進及維護會帶來很大影響。若采用外錯式，下煤層巷道將位于上煤層形成的側向支承壓力區，應力集中不利于巷道維護，但工作面長度加大，回采率高，煤炭損失量小。

經上述分析，選擇外錯式布置方式較合理，3－1煤層煤柱尺寸減小，使得其回收率提高。由于2－2煤層較薄，其側向支承壓力不大，應力集中系數也不太大。因此選用外錯式布置方式時外錯距離是關鍵，合理的外錯距離能使下煤層巷道避開應力峰值區域，降低巷道維護難度。

3 巷道合理錯距數值模擬分析

為研究李家豪礦下煤層巷道外錯合理距離，建立FLAC3D數值模型。根據李家豪礦實際地質資料，將模型中力學性質相近且厚度較小的巖層互相組合，建立走向300 m、傾向200 m、高度150 m的數值模型。模型上邊界埋深為50 m，在其上方施加1.25 MPa的垂向載荷表示松散層自重。

圖3所示為12108工作面推進方向上巷道頂底板垂直應力分布規律。模擬中，巷道共開挖了100 m，上煤層工作面推進至50 m時分析對下層巷道應力分布影響。由圖3可知，上工作面開采對下巷道不同錯距時頂底板應力分布影響變化較明顯，以采空區后方巷道底板的應力變化特征對不同錯距時下層巷道頂底板應力分布規律進行研究。單層開采時巷道底板應力等值線呈 “枕形”分布，且分布較均勻；煤層群同采下層巷道外錯4 m時處于上層煤采空區后方的巷道底板應力等值線出現向下凸的現象，整個巷道底板應力等值線呈一側高的“馬鞍形”分布，如圖3（a）所示；隨著外錯距離的增大，等值線下凸現象逐漸消失，當錯距16 m時底板等值線基本已恢復 “枕形”分布，如圖3（b）、3（c）、3（d）所示。

圖3 12108工作面巷道垂直應力分布俯視圖

可見上層工作面采動對下層巷道底板的卸壓范圍會產生影響，以應力降低40%為卸壓界限，外錯距離越大底板巷道底板卸壓深度逐漸減小。如圖4所示，單層開采時卸壓深度為3.28 m，4 m錯距時卸壓深度最大為6.59 m，10 m錯距時為3.60 m，12 m錯距時為3.40 m，16 m錯距時卸壓深度最小為3.32 m，卸壓深度減小的速度越來越小，12 m錯距以上時卸壓深度變化幅度已非常小，工作面采動對巷道底板卸壓發育深度影響趨于消失。由此確定12 m為3－1煤巷道合理的外錯距離。

圖4 12108工作面巷道底板垂直應力分布曲線

4 現場實施效果

根據理論和模擬的分析結果，李家豪12108工作面巷道外錯上煤層11208工作面12 m布置，如圖5所示。

圖5 11208和12108工作面巷道布置示意圖

巷道表面變形觀測是在材料巷進行的，材料巷超前支護約40 m，變形觀測時間70 d，共獲得了300多個觀測數據。對這些觀測數據進行了整理分析，繪出了巷道移近量及移近速度圖。巷道內第1＃，2＃，3＃，4＃，5＃，6＃，7＃測點距工作面距離分別為20 m，30 m，40 m，50 m，60 m，70 m，80 m，其頂底板和兩幫相對移近量及移近速度的觀測結果如圖6、圖7所示。

由以上數據可知，12108工作面材料巷道表面在回采期間在超前支護的作用下，臨近工作面頂底板及兩幫位移量及位移速度大，隨著距離越來越遠，當接近60 m時采動影響已經很弱，當距離工作面80 m時，巷道圍巖位移不明顯，位移速度已經很小，說明巷道已經處于穩定狀態。另外，當工作面回采時，各個測站斷面的頂底板移近量和兩幫收斂變形量在工作面附近比較明顯，頂底板收斂變形相對兩幫移近量來說要大一些，說明盡管頂板已經進行錨網支護，但頂底板圍巖破壞應力仍然較大，礦山壓力顯著，所以在回采工作中要及時關注巷道變化，加強工作面前方超前支護強度。當遠離工作面時，無論是頂底板還是兩幫位移及移動速度都基本處于穩定狀態，可見12108工作面回采巷道與上層回采巷道外錯12 m能夠滿足工作面正常推進的要求，同時現場采用的支護方式也起到了很好的效果，較好地維護了工作面巷道的穩定性。

圖6 巷道圍巖位移

圖7 巷道圍巖移進速度

5 結論

（1）通過理論分析，確定了外錯式巷道布置方式最適合于李家豪煤層群上下煤層同采工作面，下煤層巷道應避開上煤層工作面巷道側向支承壓力峰值區域。

（2）通過數值模擬，確定下煤層巷道外錯12 m為合理錯距，由巷道應力云圖可知，外錯12 m以上時，巷道在采掘影響下圍巖應力基本與單層煤開采特征一致。

（3）李家豪采用外錯12 m的巷道布置方式不僅提高了3－1煤層的回收率，而且巷道在采掘過程中滿足生產、安全要求。

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