極近距離煤層外錯式布置合理煤柱布置研究

趙 亮

(晉中市煤炭工業局，山西 晉中 030600)

我國煤炭資源儲量豐富，煤層賦存地質環境復雜多變，許多煤礦在近距離煤層群開采時面臨聯合布置開采問題[1-3]，其中針對上薄下厚的煤層賦存情況，很多煤礦在開采方式上選擇了“分層同采”的聯合開采方式。但由于煤層之間間距較小，在聯合開采布置工作面過程中，回采引起的本煤層及下組煤層間復雜應力場、位移場的變化將導致一系列工程問題，如巷道變形、失穩、冒頂、支架折損等問題[4-8]，因此回采巷道的穩定性備受重視。尤其是布置在下組煤層中的回采巷道的穩定性，由于受多次采動動壓影響，巷道變形嚴重，且巷道維護十分困難。因此，優化合理布置巷道顯得尤為重要，合理的巷道聯合布置方式，不僅關系到保障煤礦安全生產，而且對于減少巷道維護成本，實施高效生產也具有顯著的意義。

本研究以近距離煤層同采的巷道布置進行研究，以河東煤田某礦11#與12#為工程地質背景，分析同采巷道條件下組煤外錯布置的合理時空關系及巷道的圍巖變形規律，為近距離煤層同采巷道的合理布置提供理論依據。

1 地質概況及煤層圍巖物理力學參數試驗

1.1 地質概況

本井田地處河東煤田的北部，為向西傾斜單斜構造，地層傾角5°～14°，地層結構簡單。現準備開采11#及12#煤層，其中，11#煤層位于太原組二段中部，煤層厚度平均1.57 m，結構簡單，頂板巖性主要為泥巖其次為砂質泥巖、粉砂巖；底板巖性主要為砂質泥巖、泥巖，局部為中粒砂巖，為全區穩定可采煤層。12#煤層位于太原組二段中部，上距11#煤層平均3.89 m，煤層厚度平均3.61 m，結構簡單，其頂板巖性主要為砂質泥巖、泥巖和粉砂巖；底板巖性主要為砂質泥巖、泥巖和粉砂巖，為全區穩定可采煤層，具體如表1所示。

1.2 煤層圍巖物理力學參數試驗

煤巖樣主要取行人斜井，包括11#煤頂板泥巖、11#煤、11#煤底板砂質泥巖、12#煤、12#煤底板砂質泥巖，每層取樣3件，共15件，每件樣品尺寸大約300 mm×300 mm。將煤巖樣品加工為50 mm×100 mm或25 mm×50 mm標準圓柱體試件，見圖1。

圖1 煤及砂質泥巖圓柱形試件Fig.1 Cylindrical test pieces of coal and sandy mudstone

表1 煤層及圍巖試樣的力學性質測試結果

2 近距離煤層巷道布置數值模擬對比

近距離煤層群在開采過程中，工作面回采會引起回采空間周圍巖層應力重新分布，受載條件復雜，不但在區段煤柱上易造成應力集中，而且該應力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力能變差，變形急劇增大，受上組煤層開采動壓的影響，下組煤層回采巷道煤柱不易形成穩定結構。因此，上下煤層工作面的位置關系與回采巷道的布置是一個難題，如果巷道布置不合理，巷道位于高應力區，底板巷道的維護將會發生很大困難。

針對我國煤炭資源不斷減少、日益枯竭的問題，提高煤炭的資源回收率顯得更加重要與迫切。因此，在合適的條件下要盡量避免采用內錯布置，減少資源損失。本研究采用的外錯方式(見圖2)布置近距離煤層下組煤層回采巷道，由于巷道圍巖所處位置一般為高應力區，使得圍巖及圍巖賦存環境遠惡劣于內錯方式布置的回采巷道。一方面圍巖破碎，另一方面地壓大、變形量大，巷道圍巖的穩定條件比較差。因此，在布置近距離煤層回采巷道時，要適當加寬上組煤層的回采護巷煤柱。

圖2 12#煤層工作面外錯布置圖Fig.2 External staggered layout of No.12 coal seam

由于外錯布置的下煤層工作面回采巷道位于上分層開采遺留煤柱的下方。因此，上煤層煤柱的存在狀態以及對上覆巖層重量的傳遞情況直接影響下煤層外錯巷道圍巖的質量和受力情況，進而影響下煤層外錯巷道穩定性控制方案的選擇與設計。圖3是煤柱中垂直應力分布的示意圖。煤柱自外向內存在三個區域，即破裂區、塑性區、彈性區，且煤柱從外側向內部由單向受壓逐漸變為三向受壓狀態，其承載能力隨著距煤柱邊緣的距離增大而明顯增強。

1-破裂區；2-塑性區；3-彈性區圖3 上層煤兩側采空后煤柱中的垂直應力分布及分區示意圖Fig.3 Diagram of vertical stress distribution and partition of coal pillars after mining out of the upper coal on both sides

12#煤工作面順槽按寬度5.0 m、高度3.0 m考慮，將12#煤工作面順槽布置在11#煤煤柱下方，一方面增加了工作面長度，另一方面減少了順槽上方11#煤底板垮落的幾率，有利于巷道支護；11#煤工作面煤柱下方需要布置12#煤工作面的一條運輸順槽和一條相鄰工作面的回風順槽，根據對12#煤合理區段煤柱的分析，12#煤合理區段煤柱不應小于12 m，則11#煤煤柱寬度=12#煤煤柱寬度+運輸順槽寬度+運輸順槽外錯錯距+回風順槽寬度+回風順槽錯距。

綜上分析后，擬定數值研究對比方案，將上組11#煤護巷煤柱確定為40 m，為了分析合理的12#煤回采巷道布置方式，采用FLAC3D數值模擬軟件研究11#煤回采動壓影響下的12#煤回采巷道穩定性問題。根據煤層賦存條件，建立數值模型，模擬12煤工作面兩巷外錯布置方案，采用的方案如下：外錯4 m、6 m、8 m、10 m共4個方案。11#煤柱下方的巷道應力分布和破壞區域分析結果見圖4和圖5。

圖4 外錯式布置巷道及煤柱應力分布狀態圖Fig.4 Stress distribution of roadways and coal pillars with external staggered layout

圖5 外錯式布置巷道及煤柱塑性區分布圖Fig.5 Plastic zone distribution of roadways and coal pillars with external staggered layout

由圖4、圖5可見，隨著錯距的增加，12#煤巷道與11#煤采空區距離增加，12#煤巷道與煤柱中心線的距離減小，巷道圍巖所受集中應力增加，巷道圍巖破壞程度下降。從應力分布看，錯距在5 m～6 m時，開始出現一定程度的應力集中，從塑性破壞區域看，錯距在6 m～12 m時，巷道圍巖脫離11#煤工作面采動影響范圍，考慮12#煤工作面順槽應布置在圍巖完整段，因此，12#煤巷道外錯距離應不小于6 m。

3 結束語

綜合分析，11#、12#煤極近距離煤層聯合開采條件下，12#煤巷道合理外錯距離為6 m，當12#煤工作面回風、運輸順槽寬度為5 m、12#煤煤柱寬度為12 m的情況下，11#煤煤柱寬度應不小于34 m。