近距離煤層回采面下伏大巷減壓掘進技術

周艷國

(開灤(集團)有限責任公司東歡坨礦業分公司，河北 唐山 063000)

隨著開灤礦區開采強度和煤炭產量的不斷提高，開采深度不斷增加，煤層開采的地質條件越來越復雜，特別是近幾年來的高強度開采，使采深不斷加大，出現了礦井深部的巷道支護困難的問題。開灤集團東歡坨礦現開采煤層屬于近距離煤層群，開采過程中礦壓顯現劇烈，巷道圍巖變形量顯著增加，圍巖內部出現非連續性破裂現象，支架變形損壞嚴重，巷道返修工程量大，巷道維護異常困難等問題[1-3]。同時，由于近距離煤層群回采面下伏大巷的掘進支護設計過程中，往往采用工程類比的方法，缺乏對巷道圍巖自身狀況的清晰認識，導致巷道掘進及支護設計缺乏科學的依據。為此，本文通過理論和數值模擬的方法定量研究了-690水平回風大巷掘進與上方9煤2393工作面回采不同時空關系下，即先掘后采和先采后掘兩種狀況下，巷道圍巖的變形破壞狀況，對比分析得到合理的采掘順序，為-690水平回風大巷的巷道布置及減壓掘進提供設計依據。

1 工程概況

開灤集團東歡坨礦位于開平煤田西北側，礦區東南翼走向13.5km，傾向寬3km；西北翼走向長8km，傾向寬0.5km，井田面積40.5km2。東歡坨礦井1988年開工建設，現生產能力達到300萬t/a。采用立井多水平階段石門開拓，劃分為-500m水平、-690m水平、-950m水平和-1200m水平。其中目前生產水平為-500m水平，-690m水平為延深水平，-950m水平和-1200m水平礦井后期開發水平。現開采煤層為8煤、9煤、11煤以及12-2煤層。

1.1 回采面與下伏預掘巷道位置關系

東歡坨礦2393工作面位于南一采區，該工作面可采走向長度1481m，工作面傾向長度179m。2393工作面上方無采掘工程，其下層巷道-690水平回風巷為預掘巷道。2393工作面及-690水平回風巷位置關系如圖1所示。根據現場地質資料分析可知，-690水平回風巷位于2393工作面正下方約30m處，-690水平回風巷距2393風道的水平距離約為125m，距2393運道的水平距離約為55m。

圖1 2393工作面及-690水平回風巷位置關系圖

1.2 2393工作面基本情況

2393工作面開采煤層為9煤，煤層穩定，結構較簡單，物理特性為光亮型煤，粉末狀。工作面最小煤厚為2.8m，最大煤厚為5.5m，平均4.7m。煤層傾角19°～23°，平均21°。工作面頂底板巖性情況見表1。工作面風道、運道及風道運煤聯絡巷均沿9煤底板掘進，巷道采用29U型14.0m2金屬拱型支架支護，支架間距取600mm。

表1 2393工作面頂底板情況

1.3 -690水平回風巷基本情況

東歡坨礦-690水平回風大巷布置在-690水平，為預掘巷道，巷道支護形式初步設計主要采取錨網索噴支護形式，頂板破碎及淋水較大地段采用錨網架噴支護。錨桿采用Ф20mm×2000mm的等強螺紋鋼錨桿。錨索托梁：選用25U型鋼加工，長度不小于800mm。錨架噴支架采用29U金屬支架。鋼筋網：采用Ф6.5mm鋼筋焊制，規格500mm×800mm，全斷面鋪設。

-690水平回風大巷開口層位以12-2煤為頂板，巖性為深灰色粉砂巖，條帶狀外觀，泥質膠結；首先施工斜石門，方位N333°，設計斜石門平距105.8m，預計開口前43.5m見12-1煤，煤厚2.5m，12-1煤頂板巖性為灰色粉砂巖，條帶狀外觀，終口層位為11煤，煤厚2.5m；其次施工11煤回風大巷，方位N33°，設計長度583.3m，11煤偽頂為腐泥質粘土巖，厚1.0m左右，11煤底板巖性為灰色細砂巖，巖石較堅硬。巖層柱狀圖如圖2所示。

圖2 巖層綜合柱狀圖

2 下伏大巷減壓掘進方案及理論分析

由于-690水平回風大巷與上方2393工作面距離較近，-690水平回風大巷掘進時必將受到上方回采工作面的影響，經分析-690水平回風大巷掘進時存在兩種方案：方案一，上方2393工作面回采完成后掘進下方-690水平回風大巷；方案二，下方-690水平回風大巷掘進后，再進行上方2393工作面回采。針對這兩種方案，首先采用理論定性分析2393工作面開采對-690水平回風大巷圍巖穩定性影響以及探討合理的采掘順序。

通過分析工作面回采過程中礦壓應力分布情況可知[4，5]，若采取方案二，先掘進下方-690水平回風大巷，再回采上方的2393工作面，當進行上方2393工作面回采時，采動礦壓最終應力峰值位置正好處于-690水平回風大巷上方附近，容易造成-690水平回風大巷頂板產生應力集中，在此過程中，大巷將受到工作面采動影響，不利于巷道維護。而如采取方案一，先回采上方的2393工作面，再掘進下方-690水平回風大巷，當上方2393工作面回采后，工作面頂板巖層應力重新分布，-690水平回風大巷正好處在上方2393工作面采空應力降低區，即減壓區，如圖3所示，這時進行-690水平回風大巷的掘進，有利于巷道支護[6-8]。

圖3 減壓開采后掘進巷道頂板巖層應力分布圖

3 下伏大巷減壓掘進方案模擬研究

根據現場工程實踐需要，通過數值進一步定量研究-690水平回風巷掘進與上層2393工作面回采不同時空關系下，即先掘后采和先采后掘兩種狀況下，巷道圍巖的變形破壞狀況，對比分析得到合理的采掘順序，以便于巷道穩定性維護[9-12]。

3.1 模型的建立

計算模型沿X方向長度為300m，沿Y軸方向長度為50m，沿Z軸方向高度為220m。9煤頂部離模型頂邊界平均距離為150m，9煤底部離模型底邊界平均距離為65.5m，模型設置9煤層厚度均為3.2m，9煤層平均傾角為20°，模型上方按至地表巖體的自重施加垂直方向的荷載。模型埋深為300m，在模型頂部加荷載7.5MPa。本次模擬根據現場地質調查和相關研究提供的巖石力學試驗結果，采用的煤巖力學參數見表2。

表2 計算模型物理力學參數列表

本模擬主要是針對工作面不同開采順序對煤層下方巷道支護效果的影響進行模擬，因此，設計先掘后采、先采后掘兩種方案進行模擬研究。

3.2 模擬結果分析

3.2.1 方案一：先掘后采

先掘后采方案為首先掘進-690水平回風巷，一段時間后，進行2393工作面回采，所得巷道圍巖塑性區及豎直應力分布如圖4、5所示。

圖4 先掘后采方案-690水平回風巷圍巖的塑性區圖

圖5 先掘后采方案-690水平回風巷豎直方向應力分布圖

由圖4分析可知：① 2393工作面開采完成之后，巷道圍巖的塑性區深度大于1.5m，其中巷道的右幫部塑性區達到3.0m；② 當上方2393工作面回采時，由于-690水平回風巷受到工作面采動壓力作用影響，使圍巖的潛在的松動區和某些原有的軟弱結構面屈服，導致巷道圍巖的塑性區向圍巖深部擴展，特別是巷道頂板位置處破裂較為嚴重。

由圖5分析可知：① 當-690水平回風巷道掘進完成后，巷道圍巖應力集中區域在巷道的幫部以及頂底板處，最大應力集中發生在巷道的幫部，最大集中力為-24.4MPa；② 當上層2393工作面煤層開采完成之后，即此時下層-690水平回風巷處于卸壓狀態，巷道圍巖應力云圖較2393工作面開采時發生了很大變化，應力集中同樣發生在巷道兩幫及巷道頂底板處，最大應力集中區域為巷道的幫部，最大集中應力為-2.7MPa，較2393工作面未開采時的最大集中應力降低了近10倍，同時巷道底板處出現了拉應力情況。

3.2.2 方案二：先采后掘

2393工作面回采完成之后豎直方向應力分布圖如圖6所示。2393工作面回采完成之后，工作面頂底板處于卸壓狀態，在工作面底板巖層中進行巷道掘進，-690水平回風巷道設計位置處的豎直方向應力為0.3MPa，而-690水平回風巷原巖應力約為11MPa，可見，2393工作面開采完成之后，擬掘進巷道位置卸壓明顯。

圖6 2393工作面回采后豎直方向應力分布(MPa)

通過模擬研究先采后掘方案，得到-690水平回風巷圍巖的應力和塑性區分布圖，如圖7所示。分析圖7可知：① 先采后掘時，-690水平回風巷道圍巖頂板處于卸壓狀態，巷道的應力集中區域在巷道幫部及底板處，其中右幫部靠近下方的最大應力集中為-2.2MPa，巷道底板出現拉應力，最大拉應力為0.5MPa，可能是由于巷道圍巖在側壓力的影響下，巷道底板有向上鼓起的趨勢；② 先采后掘時，塑性區明顯產生于巷道幫部和巷道底板處，且面積較小，只有在右幫部和幫部的底角處有明顯塑性區產生。分析原因可能是上方2393工作面開采完成之后，-690水平回風巷的圍巖處于卸壓狀態，當在一個卸壓狀態下的巖層中進行掘巷時，掘巷所引起的應力釋放較小，釋放的彈性能較小，最終導致巷道圍巖的塑性區較小。

圖7 先采后掘方案-690水平回風巷圍巖 應力和塑性區分布圖

3.2.3 綜合分析

為研究開采順序對巷道支護圍巖變形的影響程度，確定合理的開采順序，需對兩種方案模擬所得的結果進行綜合對比分析，兩種方案所得的圍巖應力、塑性區分布狀況以及巷道頂板下沉量統計見表3。

表3 兩種方案的圍巖應力、塑性區分布以及巷道頂板下沉量統計表

由表3綜合對比分析可得：①兩種方案所得的巷道圍巖應力集中區域相似，都發生在巷道的幫部，原巖應力下掘巷所得的最大集中應力為-24.4MPa，先掘后采方案所得的巷道圍巖最大集中應力為-2.7MPa，先采后掘方案所得的巷道圍巖最大集中應力為-2.2MPa，先采后掘方案所得的巷道圍巖應力集中程度較小，但是兩者相差不大；②先掘后采方案所得的巷道圍巖塑性區深部為3.0m，先采后掘方案所得塑性區深度為0.5m，先采后掘所得塑性區范圍明顯比先掘后采方案所得塑性區要小，現場應用時優先采用先采后掘方案；③先采后掘方案巷道頂板頂板下沉量為22cm，先掘后采方案時頂板下沉量為65cm，先采后掘方案得到的巷道頂板位移量比先掘后采方案小66%，比原巖應力狀態下得到的頂板位移小50%。

綜合研究分析可知，在同等條件下，下層-690水平回風巷優先采用先采后掘的減壓掘進方案。

4 結 語

東歡坨礦井-690水平回風巷采用了先采后掘的減壓掘進方案，降低了巷道復修工程量，減輕了工人勞動強度，保障了工人人身安全，降低了生產成本，為實現開灤集團安全、科學開采，提供有力的技術支持，對同類型的其他深井軟巖巷道工程具有一定的借鑒意義，給開灤集團帶來了一定的經濟效益和社會效益。