淺析杜兒坪礦極近距離煤層采空區(qū)下巷道布置

張 卓

(山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司 杜兒坪礦， 山西 太原 030022)

杜兒坪礦位于山西省太原市，1956年建礦，隸屬于山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司。井田南北寬約6 km，東西長約10 km，面積為69.113 5 km2. 礦井主要可采煤層為6層，即2#、3#、6#、7#、8#、9#煤層，總厚度16.37 m，煤種為貧煤、瘦煤和貧瘦煤。其中，8#和9#煤層為極近距離煤層，層間距僅為1.5～2.6 m. 受采煤工藝及支護(hù)技術(shù)制約，該兩層煤難以實(shí)現(xiàn)放頂煤開采，利用分層開采技術(shù)回采過程中又受到層間距小、頂板薄、采空區(qū)等因素影響，9#煤層巷道布置難度較大。目前，礦井8#煤層開采即將結(jié)束，9#煤層面臨開采。

1 極近距離煤層概況

礦井8#煤層和9#煤層為極近距離煤層，其中：8#煤層厚1.9～6.06 m，平均3.58 m；9#煤層厚1.73～5.05 m，平均3.51 m，埋深450～550 m；兩層煤層間距為1.5～2.6 m. 北三下組煤盤區(qū)68301和68302工作面位于礦井北部，北鄰北部總回風(fēng)巷、南至北一下組總回風(fēng)巷、西接68303工作面、東鄰礦井北二盤區(qū)。兩個工作面受落差為15 m的斷層影響，分別采用刀把式布置巷道。其中，68301工作面可采走向長914 m、一切眼191 m、二切眼97 m、儲量84萬t；68302工作面可采走向長1 099 m、一切眼135 m、二切眼236 m、儲量155萬t. 8#煤層68301和68302工作面巷道布置圖見圖1.

目前，68301和68302兩個采煤工作面已經(jīng)回采完畢，并形成采空區(qū)。下部9#煤層的69301和69302兩個采煤工作面未掘送。8#煤層68301和68302工作面巷道剖面圖見圖2.

根據(jù)68302采煤工作面附近鉆孔柱狀圖可以看出，此區(qū)域內(nèi)8#煤層厚為5.44 m，下部9#煤層厚為4.05 m，兩煤層間距為1.71 m. 68302采煤工作面附近鉆孔柱狀圖見圖3.

2 8#煤層采空區(qū)下巷道頂板賦存特征

礦井8#煤層采空區(qū)下布置的9#煤層巷道頂板為細(xì)粒砂巖，深灰色，上部0.25 m為黑色頁巖，含植物化石碎片；下部0.35 m為黑色頁巖，節(jié)理面光滑。68301采煤工作面煤層底板巖層保存完好，在其采空區(qū)下部掘進(jìn)巷道的頂板厚度為1.5～2.6 m，大部分區(qū)域頂板厚度約為2.0 m；68302采煤工作面回采過程中部分區(qū)域割煤層底板巖石，導(dǎo)致其下部9#煤層與上部采空區(qū)之間巖層厚度顯著減少，估計為0.3～1.2 m，在其采空區(qū)下布置巷道，巷道頂板厚度均值為0.7 m.

圖1 68301工作面和68302工作面巷道布置圖

圖2 68301工作面和68302工作面巷道剖面圖

圖3 68302采煤工作面附近鉆孔柱狀圖

3 9#煤層順槽、切眼布置難點(diǎn)

3.1 9#煤層順槽布置分析

礦井8#煤層北三盤區(qū)68301和68302兩個采煤工作面之間存在一個大斷層，兩個采煤工作面之間區(qū)段煤柱寬度最大為160 m、最小為70 m. 其下部9#煤層69301和69302兩個采煤工作面順槽布置在區(qū)段煤柱下方，或8#煤層采煤工作面采空區(qū)下方，對比分析兩種不同位置布置順槽的優(yōu)缺點(diǎn)。

順槽布置在采空區(qū)下方，其優(yōu)點(diǎn)是卸壓區(qū)應(yīng)力低；缺點(diǎn)是裂隙發(fā)育的薄層頂板圍巖整體性、可錨性、可靠性較差，普通錨網(wǎng)支護(hù)控頂難度大或無法實(shí)施。順槽布置在區(qū)段煤柱下方，其優(yōu)點(diǎn)是頂板安全穩(wěn)定，便于錨梁網(wǎng)支護(hù)，可提高煤炭回收率；缺點(diǎn)是應(yīng)力集中，壓力大，實(shí)踐表明此類巷道后期變形大。

3.2 9#煤層切眼布置分析

礦井8#煤層北三盤區(qū)68301采煤工作面切眼離北一下組總回風(fēng)巷距離為110 m，盤區(qū)邊界煤柱之間存在一個寬度約為60 m，長度約為110 m的651#陷落柱，陷落柱離切眼距離約為9 m.9#煤層北三盤區(qū)69301采煤工作面切眼布置在8#煤層采空區(qū)下方，或布置在盤區(qū)邊界煤柱下方。

68302采煤工作面切眼離北一下組總回風(fēng)巷距離最大為58 m，最小為38 m，盤區(qū)邊界煤柱之間存在兩個陷落柱。其中，588#陷落柱緊鄰切眼和回風(fēng)大巷，1246#陷落柱在回風(fēng)大巷周圍。9#煤層69302采煤工作面同樣具有兩種布置方式。切眼布置方案見圖4，切眼布置在不同位置的優(yōu)缺點(diǎn)：

圖4 9#煤層切眼布置方案圖

切眼布置在采空區(qū)下方，其優(yōu)點(diǎn)是卸壓區(qū)應(yīng)力低；缺點(diǎn)是若切眼沿煤層頂板掘進(jìn)，68301采煤工作面采空區(qū)下方切眼頂板厚度為1.5～2.6 m，68302采煤工作面采空區(qū)下方切眼頂板厚度為0.3～1.2 m. 切眼寬度6.3～7.3 m，跨度大，在極近距離煤層采空區(qū)下方裂隙發(fā)育的薄層頂板條件下，控制大跨度頂板難度大，安全隱患突出，基本無法實(shí)施。

切眼布置在盤區(qū)邊界煤柱下方，其優(yōu)點(diǎn)是頂板完整性、穩(wěn)定性高，可提高煤炭回收率；缺點(diǎn)是應(yīng)力集中，壓力大，開切眼后盤區(qū)邊界煤柱寬度進(jìn)一步縮減，69301、69302采煤工作面回采可能會對北一下組總回風(fēng)巷造成采動影響。其次，兩個采煤工作面切眼布置在邊界煤柱下方都要經(jīng)過陷落柱，圍巖控制難度進(jìn)一步加大。

3.3 綜合分析

根據(jù)礦井北三盤區(qū)9#煤層順槽、切眼布置方案和優(yōu)缺點(diǎn)分析可得，煤層設(shè)計工作面應(yīng)注意兩點(diǎn)：頂板控制和采空區(qū)影響。

當(dāng)在極近距離煤層群內(nèi)開采時，已采完工作面的下部煤層頂板的特點(diǎn)是直接頂較薄，受到上部煤層采動損傷影響，頂板破碎，多為裂隙結(jié)構(gòu)。杜兒坪礦上部已采的8#煤層厚度平均3.58 m，采高大，對下部9#煤層的頂板損傷嚴(yán)重。區(qū)段煤柱下方頂板安全穩(wěn)定性強(qiáng)，便于錨梁網(wǎng)支護(hù)，錨桿(索)錨固點(diǎn)位置的選擇性大、錨固力能得到充分保障，懸臂梁結(jié)構(gòu)支護(hù)合理。

同時，9#煤層工作面上方存在采空區(qū)，采空區(qū)的存在對下煤層開采的礦壓規(guī)律及安全影響大。9#煤層巷道、切眼布置在煤柱下方，頂板承載力將大幅度提高，利用有效的支護(hù)技術(shù)可控。若布置在采空區(qū)下方，雖然頂板對上部采場受壓較小，但會因支護(hù)強(qiáng)度弱而造成空頂和垮面，甚至于下煤層工作面頂板與上部煤層采空區(qū)溝通，導(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)紊亂，下煤層工作面漏風(fēng)，或采空區(qū)中存在的殘煤與空氣接觸發(fā)生自燃、采空區(qū)積水涌出等。

4 采空區(qū)應(yīng)力場分布特征

4.1 兩側(cè)采空情況

68301、68302工作面回采穩(wěn)定后，采空區(qū)及區(qū)段煤柱垂直應(yīng)力在9#煤層中做剖面，剖面上垂直應(yīng)力分布見圖5，分布特征如下：

1) 采空區(qū)整體處于應(yīng)力低值區(qū)，大部分區(qū)域垂直應(yīng)力低于-10 MPa，垂直應(yīng)力從煤柱邊緣向采空區(qū)呈現(xiàn)先降低再逐漸增長，隨后保持穩(wěn)定的特征，上部巖層垮落后出現(xiàn)局部增壓區(qū)。

2) 區(qū)段煤柱整體處于應(yīng)力集中區(qū)，垂直應(yīng)力由煤柱邊緣向煤柱中部呈現(xiàn)逐漸增大特征，煤柱中部應(yīng)力最大，最大值達(dá)-26.6 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)約為2.35，煤柱邊緣應(yīng)力最小。

3) 9#煤層離煤柱4～12 m，垂直應(yīng)力降低，是布置巷道的最佳位置。

4) 9#煤層巷道最優(yōu)布置位置在距離煤柱邊緣6 m處。

圖5 8#煤層開采后9#煤層中垂直應(yīng)力分布曲線圖

4.2 一側(cè)采空情況

采用只開采68301工作面來分析一側(cè)采空情況下，采空區(qū)及煤柱垂直應(yīng)力分布，8#煤層開采后，9#煤層中剖面位置垂直應(yīng)力變化特征見圖6，特征如下：

圖6 8#煤層開采后9#煤層中垂直應(yīng)力分布曲線圖

1) 采空區(qū)應(yīng)力分布特征與兩側(cè)采空情況下應(yīng)力分布特征相同，單側(cè)采空區(qū)時，煤柱內(nèi)由采空區(qū)邊緣往里呈現(xiàn)先增大后降低到原巖應(yīng)力的趨勢。

2) 單側(cè)采空區(qū)時，煤柱內(nèi)最大集中應(yīng)力為20.4 MPa，集中系數(shù)為1.8，低于兩側(cè)采空時煤柱應(yīng)力集中系數(shù)。

5 結(jié) 語

從礦井極近距離煤層采空區(qū)下順槽、切眼布置來講，69301、69302采煤工作面順槽及切眼巷道都應(yīng)布置在煤柱下方，采空區(qū)下布置巷道圍巖應(yīng)力雖小，但支護(hù)無法實(shí)施。

1) 8#煤層開采后，9#煤層離煤柱4～12 m垂直應(yīng)力最低，是布置巷道的最佳位置。9#煤層巷道布置在離煤柱中部4～12 m，離煤柱越近，巷道應(yīng)力環(huán)境較好，變形最小。但從支護(hù)技術(shù)和以往工程經(jīng)驗(yàn)來講，采空區(qū)下方破碎薄層頂板條件下采用現(xiàn)有技術(shù)無法解決大斷面切眼支護(hù)問題，因此，不能在采空區(qū)下方布置9#煤層順槽和切眼。

2) 煤柱邊緣處于應(yīng)力降低區(qū)，中部處于應(yīng)力集中區(qū)。巷道布置位置距離煤柱4～12 m時，巷道離煤柱中部越遠(yuǎn)，巷道應(yīng)力環(huán)境越好，應(yīng)力越低，變形越小。因此，在區(qū)段煤柱下方布置9#煤巷道時，巷道最優(yōu)布置位置在距離煤柱邊緣6 m處，沿9#煤層頂板掘進(jìn)。

3) 考慮到69302采煤工作面頂板薄，掘進(jìn)或面臨無頂板條件，69302采煤工作面需要布置在區(qū)段煤柱正下方。69301工作面因大部分區(qū)域頂板厚度約為2.0 m，順槽和切眼布置在距離煤柱中部6 m處。