近距離煤層采空區下回采巷道布置方式研究

杜艷春

（山西汾西礦業（集團）有限責任公司靈北煤礦，山西 靈石 031302）

1 概況

宜興煤業可采煤層2#煤和2#下煤的層間距為5.50～9.00m，平均約7.3m，屬近距離煤層。2#煤層煤厚0～4.50m，平均厚度1.63m，現井田范圍內大部分已回采完畢，開采方法為綜合機械化走向長壁后退式采煤法，一次采全高，全部垮落法管理頂板。為節約煤炭資源，工作面之間留設寬度為5m的區段煤柱。2#下煤層厚度0.30～2.00m，平均厚度1.40m，結構簡單，屬近水平煤層。頂板多為泥巖或砂質泥巖，厚度3.50～8.20m，平均5.80m，節理、裂隙較發育，屬中等冒落性的頂板；底板多為泥巖、砂質泥巖，局部見有細粒砂巖，厚度1.00～3.80m，平均2.50m，節理、裂隙不發育。

2#下煤層布置的首采面為1201-2工作面，位于2#煤層首采面1201工作面采空區下方，北部緊鄰工業廣場保護煤柱邊界，南部為1202工作面采空區。1201工作面與1202工作面之間東部有一長軸約130m、短軸約85m的陷落柱（編號W1-5），兩工作面回采期間分別開掘了繞巷繞過此無炭柱開采。

近距離煤層下位煤層工作面回采巷道的布置方式主要有外錯式、內錯式、垂直式三種，在2#煤層留設5m區段煤柱的情況下，2#下煤層回采巷道（寬度4.5m）若采用外錯式布置，則巷道基本與煤柱垂直，受煤柱的集中應力影響，勢必造成巷道的圍巖變形量和維護量大幅增高，不利于工作面的安全高效開采，因此只針對內錯與垂直兩種布置方式進行對比分析。

2 回采巷道合理布置分析

（1）理論計算

利用彈性力學理論，在均布載荷條件下，煤層底板應力在煤層底板巖層內隨著遠離煤柱而逐漸衰減，其影響范圍可簡化為兩條直線包絡下的范圍。結合宜興煤業2#煤層及2#下煤層的具體地質條件，影響角θ取35°，2#下煤工作面的回采巷道必須布置在該影響線以外的范圍，才能避開2#煤層開采后遺留的區段煤柱壓力的影響，即：

式中：

L0-2#煤層遺留煤柱與2#下煤層回采巷道的水平間距，m；

h1-2#煤層及2#下煤層的層間距，7.3m；

h2-2#下煤層回采巷道的高度，2.7m；

θ-應力影響角，取35°。

計算得L0≥7.00m。而2#煤層回采巷道寬度為B=4.5m，則2#下煤層回采巷道相對2#煤層回采巷道的內錯距為：

即，為避開2#煤層開采后遺留的區段煤柱集中壓力的影響，2#下煤層回采巷道相對2#煤層回采巷道應至少內錯2.5m布置，考慮1.5倍的安全系數，將內錯距定為不小于3.75m。

（2）數值模擬分析

根據礦井地質條件，采用UDEC建立工作面開采模型，模擬范圍均取418m×100m（走向×傾向）。圍巖物理力學性質參照該礦工作面實際巖體力學特性。節理特性考慮采動影響，圍巖本構關系采用Mohr-Coulumb模型。模型的上邊界為應力邊界，根據覆巖厚度施加均布載荷，左、右、下三個邊界為位移固定約束邊界。

模擬2#下煤工作面相對2#煤工作面按內錯（內錯距離2m、4m、6m、8m、10m、15m、20m）、垂直兩種布置方式，共分8個模擬方案，各方案中2#下煤工作面回采巷道的變形情況模擬結果對比情況如圖1所示。

圖1 不同布置方案的巷道圍巖變形量對比

從圖1可以看出，垂直布置時圍巖變形量最大，隨著2#下煤回采巷道相對2#煤工作面內錯距離的增大，2#下煤巷道所處位置的應力值逐漸減小，圍巖變形量及塑性區逐漸減小，相同的錨桿支護參數對巷道圍巖控制的效果逐漸明顯。

從提高采區回采率的角度看，內錯距離越小，2#煤回采時留設的區段煤柱越小，浪費的煤炭資下源就越少。

從保持巷道長期穩定的角度看，應將巷道布置在煤柱下方的低應力區域內，內錯2m時，模擬結果顯示巷道未完全處于低應力區域，靠煤柱一側的幫部（右幫）變形較嚴重，而內錯4m時，巷道處于低應力區域內，左右兩幫的變形量較均衡。

因此，在布置2#下煤回采巷道時應選用內錯4～6m的布置方式，與理論分析結果基本一致。

3 實測結果與分析

（1）采空區下回采巷道布置

2#下煤層1201-2工作面回采巷道布置情況如圖2所示，其運輸順槽相對上方2#煤層的1201工作面運輸順槽內錯5m布置，材料順槽相對1201材料順槽內錯46m布置，相對1201工作面過W1-5陷落柱的繞巷為垂直布置（長度約160m），使1201-2工作面回采時避開此陷落柱影響。

1201-2運輸順槽和材料順槽永久支護均采用錨網梁索聯合支護，支護材料為螺紋鋼錨桿（頂板）、圓鋼錨桿（兩幫）、圓鋼鋼帶、鋼絞線、金屬菱形網等。

圖2 2#下煤層1201-2工作面回采巷道布置

（2）測點布置

在1201-2工作面運輸順槽、材料順槽及材料順槽與1201工作面繞巷垂直布置段各設置了5個測站，如圖2所示。相鄰測站沿巷道走向間距20m，每個測站設置一個圍巖變形監測斷面，采用十字布點法，在頂板、底板和兩幫中部各布置一個測點，觀測工作面回采過程中巷道圍巖變形情況，包括頂底板相對移近量及變形速度、兩幫相對移近量及變形速度。用鋼卷尺或測槍測讀AB、CD值，讀數精確到1mm，并記錄測站至工作面的距離。距工作面50m之內的測站，每天觀測一次，50～200m之內的測站每兩天觀測一次。

（3）觀測結果分析

1201-2運輸順槽的圍巖變形情況如圖3所示，巷道圍巖變形速度較小，平均在6～8mm/d左右，當測站距離工作面0～30m范圍時，由于工作面超前支承壓力的作用，圍巖變形速度增大。整體來講，支護效果較好，圍巖變形量不大，頂底板累計相對移近量平均182mm，兩幫累計相對移近量平均147mm。

圖3 1201-2運輸順槽（內錯5m布置）圍巖變形速度和變形量

1201-2材料順槽與1201繞巷垂直段的圍巖變形量、變形速度曲線如圖4所示。圍巖變形量和變形速度相對內錯5m布置時明顯變大，頂底板累計移近量平均479mm，兩幫累計移近量平均373mm，出現了較為明顯的底鼓、幫鼓及頂板破碎、下沉現象。圍巖變形速度平均10～14mm/d。

圖4 1201-2材料順槽（與繞巷垂直布置）圍巖變形速度和變形量

1201-2材料順槽（內錯46m布置）的圍巖變形情況如圖5所示，巷道圍巖變形速度與變形量均較小，變形速度平均在3～5mm/d，兩幫累計相對移近量平均122mm，頂底板累計相對移近量平均127mm。

圖5 1201-2材料順槽（內錯46m布置）圍巖變形速度和變形量

三種布置方式的巷道圍巖變形速度與變形量對比見表1。

表1 不同布置方式時的巷道圍巖變形情況

三種布置方式中，垂直布置時巷道圍巖變形較為嚴重，對巷道的正常使用及回采期間端頭支護和安全出口維護工作造成了一定影響，個別地段需進行加強支護；內錯5m及內錯46m布置時巷道圍巖變形量均較小，都滿足使用要求。

4 結論

（1）通過理論計算和數值模擬分析得出，2#和2#下煤層工作面回采巷道采用相對2#煤層回采巷道內錯4～6m的布置方式較為合理。

（2）對2#下煤層的1201-2工作面兩條回采巷道采用內錯5m、內錯46m、垂直三種布置方式時圍巖變形情況的實測結果表明：垂直布置時巷道圍巖變形量和變形速度較大，實際應用中需進行加強支護方可滿足使用要求，內錯5m布置時圍巖變形量和變形速度較小，內錯46m布置時最小，兩種內錯布置方式的巷道支護效果均較好，未出現強烈的礦壓顯現。

（3）由于2#煤層與2#下煤層的層間距較小且巖層較為軟弱，為提高安全性，同時減小煤柱損失、提高資源回收率與經濟效益，2#煤層開采時工作面最適宜的布置方式為內錯4～6m布置。