近距離煤層群采空區(qū)下回采巷道合理布置研究

韓帥杰

（北京天地華泰礦業(yè)管理股份有限公司，北京 100013）

0 引 言

在我國，各大礦區(qū)都存在近距離煤層群開采。在近距離煤層群開采過程中，受上位煤層殘留煤柱的影響，下位煤層的采場圍巖穩(wěn)定性遭到一定程度的破壞，且下位煤層回采也會形成礦壓，加劇下位煤層采場圍巖的破壞，使下位煤層開采工作面易發(fā)生災(zāi)害。因此，安全有效地布置下位煤層回采巷道是確保工作面安全高效開采的關(guān)鍵，促進(jìn)煤炭企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

學(xué)者們進(jìn)行了大量的理論研究與工程實(shí)踐。王俊杰[1]針對近距離煤層群開采的地質(zhì)條件，研究上煤層開采對下煤層的破壞程度的分析與下煤層巷道回采方式，結(jié)合現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)及相關(guān)理論，提出了“錨網(wǎng)+工字鋼”新支護(hù)方式，為近距離煤層群下位煤層回采巷道布置及支護(hù)提供了新方法。商和福[2]針對近距離煤層不規(guī)則遺留煤柱下回采巷道穩(wěn)定性差、支護(hù)困難等問題，采用FLAC3D軟件模擬研究了上下煤層工作面回采后不規(guī)則煤柱下巷道垂直應(yīng)力變化規(guī)律。任仲久[3]針對殘留煤柱下煤層開采出現(xiàn)的下位煤層回采巷道合理布置，分析了近距離煤層開采殘留煤柱的底板破壞范圍，利用土力學(xué)的太沙基理論計(jì)算了殘留煤柱下底板破壞范圍，利用數(shù)值模擬研究了殘留煤柱作用下外錯5 m 布置回采巷道的應(yīng)力場與塑性區(qū)分布情況，最終驗(yàn)證了回采巷道外錯5 m 布置的合理性?？椎轮衃4]針對近距離煤層開采下部煤層回采巷道布置這一難題，對上位煤層開采后造成的底板破壞深度、殘留煤柱在底板的應(yīng)力分布以及巷道在非均布載荷下易于破壞的原因進(jìn)行研究。

綜上，眾多學(xué)者對近距煤層群下位煤層回采巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，巷道合理間距，巷道圍巖失穩(wěn)機(jī)理

及控制技術(shù)等不同角度進(jìn)行了大量有益研究，取得了系列性成果。本文以甘溝為工程背景，研究上位煤層開采對下位煤層的影響，通過對比分析不同的巷道布置方式，內(nèi)錯、垂直、外錯布置時(shí)巷道的適用條件，確定了巷道的合理布置方式，對采空區(qū)下采面錯距與回采巷道布置進(jìn)行了研究。

1 工程概況

本文以甘溝為工程背景，礦區(qū)面積11.8 km2，礦井采用多水平單采區(qū)雙翼開采，反斜井開拓。本礦井范圍內(nèi)主要的可采煤層為3 層，分別為B2，B3，B4-2。B4-2 煤層的平均可采厚度為3.13 m；B3 煤層平均可采厚度為3.82 m；B2 號煤層平均可采厚度為4.69 m。礦井煤層傾角平均14°。如圖1 為甘溝綜合柱狀圖。

圖1 甘溝綜合柱狀圖

2 上位煤層開采對下位煤層的影響分析

B4-2 煤層開采后，頂板發(fā)生破斷，上覆巖層下沉，導(dǎo)致其應(yīng)力環(huán)境產(chǎn)生變化，使得其底板的應(yīng)力環(huán)境發(fā)生改變，造成底板巖體裂隙增加，甚至產(chǎn)生損傷破壞，使得底板巖體的力學(xué)性能下降，煤層開采直接影響到了B3 煤層開采過程中的頂板破斷特征。因此，了解B4-2 煤層開采后對底板損傷破壞深度的情況，對B3 煤層回采巷道合理布置具有重要意義。根據(jù)煤層開采后底板巖體破壞滑移線理論可知[5-6]，B4-2 煤層底板破壞滑移線場如圖2 所示。

圖2 底板破壞滑移線場

根據(jù)B4-2 煤層開采后底板巖體破壞特征分析，利用底板破壞滑移線場，通過滑移線理論的計(jì)算公式，得出B4-2 煤層底板巖體最大破壞深度hδ：

式中：M為B4-2 煤層的開采高度；H為煤層的開采深度；K1為煤層底板的應(yīng)力集中系數(shù)，取2.0；γ為上覆巖層的平均容重；Cm為B4-2 煤層的內(nèi)聚力；φ為B4-2 煤層的內(nèi)摩擦角；φf為底板巖層的內(nèi)摩擦角；f為摩擦系數(shù)；ξ為三軸應(yīng)力系數(shù)，利用此公式計(jì)算得到：

根據(jù)本礦井的地質(zhì)條件與開采方式，相關(guān)數(shù)據(jù)為：煤層埋深H=200 m，上覆巖層的巖石的容重γ= 25 kN/m3，B4-2 煤層的內(nèi)摩擦角= 30°，B4-2煤層的開采高度M=3.13 m，煤層底板巖層的內(nèi)摩擦角φf=35°，由上述計(jì)算結(jié)果可知，B4-2 煤開采造成底板最大破壞深度為18.7 m，遠(yuǎn)大于B4-2 煤層與B3 煤層的層間距。因此，B3 煤層開采的回采巷道布置要考慮B4-2 煤層殘留煤柱造成的應(yīng)力集中現(xiàn)象與塑性破壞情況的影響。

3 近距離煤層回采巷道合理布置

3.1 下位回采巷道布置方式

近距離煤層回采巷道布置方式主要有3 種，分別是重疊式布置、外錯式布置和內(nèi)錯式布置，以下是近距離煤層回采巷道布置方式的優(yōu)缺點(diǎn)[7-9]。

內(nèi)錯式布置優(yōu)點(diǎn)：可使下位煤層巷道位于卸壓帶內(nèi)，有利于下位煤層巷道頂板圍巖的支護(hù)與控制；缺點(diǎn)：造成煤層的回采率降低。

外錯式布置優(yōu)點(diǎn)：使得下位煤層工作面之間煤柱寬度減小，展現(xiàn)綜采設(shè)備優(yōu)越性，提高采區(qū)回采率；缺點(diǎn)：應(yīng)力集中系數(shù)越大，導(dǎo)致巷道頂板易破碎，不易維護(hù)。

重疊式布置優(yōu)點(diǎn)：采出率較高；缺點(diǎn)：靠近煤柱一側(cè)的巷道易產(chǎn)生片幫。

3.2 下位回采巷道合理布置方式的確定

甘溝在開采B3 煤層的過程中，受到B4-2 煤層開采，B3 煤層受到采動影響，造成B3 煤層采場圍巖力學(xué)環(huán)境發(fā)生改變。因此，在B3 煤層開采過程中，應(yīng)該確定巷道的合理布置方式，采取有效的安全措施，加強(qiáng)巷道頂板圍巖控制。

綜合分析上述優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合甘溝的實(shí)際情況，使用內(nèi)錯式布置方式，使B3 煤層巷道處于低應(yīng)力區(qū)，利于B3 煤層巷道的支護(hù)與控制，而且內(nèi)錯式布置的適用范圍更適合本礦，因此，選用內(nèi)錯式布置。

3.3 下位回采巷道合理布置參數(shù)的確定

上述分析，確定了內(nèi)錯式的布置方式，采用內(nèi)錯式布置常用水平距離確定的經(jīng)驗(yàn)公式，來計(jì)算B3 煤層回采巷道與B4-2 煤層煤柱之間的水平距離[10-11]：

式中：S為B3 煤層回采巷道位置與B4-2 煤層煤柱之間的水平距離；Z為下位煤層回采巷道與上位煤層之間的垂直距離；α為本煤層傾角；β為應(yīng)力傳遞影響角，存在θ+β=90°。

根據(jù)本礦井的地質(zhì)資料可知，甘溝煤層傾角為14°，屬于緩傾斜煤層開采，B4-2 號煤層與B3 號煤層平均層間距為10.38 m，煤層的應(yīng)力傳遞影響角為35°。將上述數(shù)據(jù)代入公式（2），得到S≥9.7 m，即B4-2 號與B3 號煤層內(nèi)錯的水平距離為大于6.03 m。因此，為減小上位B4-2 煤層開采對下位B3 號煤層開采的影響，確定將內(nèi)錯水平距離確定為6.03 m 以上，從而保證下位煤層回采巷道的穩(wěn)定控制。

4 下位煤層回采巷道合理布置的數(shù)值模擬

利用UDEC 數(shù)值模擬軟件情況能夠非常直觀的觀察到上位煤層開采遺留煤柱下底板應(yīng)力演化與裂隙發(fā)育情況，通過分析塑性區(qū)域分布情況，可以為了回采巷道的合理布置提供依據(jù)，具有十分優(yōu)秀的適用性、可靠性以及科學(xué)性。

4.1 模型建立

為了分析B4-2 號煤層殘留煤柱在底板造成的應(yīng)力分布，以甘溝為工程背景，利用離散元UDEC2D模擬軟件，模擬B4-2 煤層開采后，殘留煤柱下方的底板應(yīng)力分布規(guī)律與不同內(nèi)錯距下開采過程中區(qū)段煤柱塑性區(qū)分布。數(shù)值模型的長度為300 m，高度為120 m。煤層中部留設(shè)20 m 煤柱，煤層兩側(cè)分別開挖100 m 模擬煤柱兩側(cè)采空區(qū)。本次模型建立的本構(gòu)關(guān)系為摩爾- 庫侖模型，由于開采深度為200 m，上部邊界條件為應(yīng)力大小為5 MPa，模型兩邊限定初始邊界條件，X、Y 方向的速度為零，數(shù)值計(jì)算模型如圖3 所示。表1 為數(shù)值模型中各巖層屬性參數(shù)。

圖3 初始模型

表1 煤巖體力學(xué)參數(shù)

4.2 殘留煤柱對底板煤巷布置的影響

圖4 為B4-2 煤層開采后殘留煤柱的垂直應(yīng)力分布情況，從中可以看出遺留煤柱的周圍應(yīng)力集中，兩側(cè)采空區(qū)的應(yīng)力處于卸壓區(qū)，底板形成的應(yīng)力降低區(qū)到殘留煤柱的水平距離為20 m。受煤柱作用下底板垂直應(yīng)力演化特征：在煤柱下部不同距離的底板巖層中，煤柱中間位置垂直應(yīng)力為最大值，從中間至兩邊區(qū)域應(yīng)力呈遞減趨勢，煤柱兩邊一定區(qū)域內(nèi)減小速率最大；位于煤柱下方距離不等的底板巖層上，隨著垂直距離的增加，應(yīng)力分布范圍變大，影響程度變小，反之則相反。

圖4 殘留煤柱垂直應(yīng)力分布情況

圖5 為B4-2 煤層開采后殘留煤柱下的水平應(yīng)力分布情況，從中可以看出，煤柱上方為應(yīng)力增高區(qū)，煤柱兩側(cè)的采空區(qū)上方為應(yīng)力集中區(qū)域，煤柱下方兩側(cè)位置處為應(yīng)力降低區(qū)。圖6 為上位煤層開采后塑性破壞情況。從圖6 可以看出，B4-2 煤層開采后造成底板巖層的塑性破壞深度最大達(dá)20 m 左右，主要集中在煤柱的下方，B4-3 號煤層與B3 號煤層的層間距為10.38 m，B3 號煤層回采巷道布置受到上位殘留煤柱的影響，與理論部分計(jì)算符合。

圖5 殘留煤柱水平應(yīng)力分布情況

圖6 上位煤層開采后塑性破壞情況

4.3 不同內(nèi)錯距下開采過程中區(qū)段煤柱塑性區(qū)分布

B3 號煤層回采巷道不同內(nèi)錯距的塑性區(qū)分布如圖7 所示。

圖7 不同內(nèi)錯距的塑性區(qū)分布

由圖7 可知，當(dāng)B3 號煤層回采巷道布置的內(nèi)錯距為5 m 時(shí)，上位煤層殘留煤柱對B3 煤層影響范圍大，而且破壞嚴(yán)重，塑性區(qū)域范圍很大，當(dāng)B3 號煤層回采巷道布置的內(nèi)錯距為10 m 時(shí)，B3 煤層開采的塑性破壞區(qū)域減小，當(dāng)內(nèi)錯距為15 m 時(shí)，B3 號煤層的塑性破壞很小，巷道實(shí)體煤的部分形成可穩(wěn)定承載上覆巖層載荷的區(qū)域，使得巷道所處位置承受載荷較小，且離殘留煤柱有一定的距離，回采巷道圍巖表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

綜合殘留煤柱下的塑性破壞區(qū)分布可知，回采巷道的布置應(yīng)該選取內(nèi)錯距為15 m 的方案進(jìn)行布置。

5 現(xiàn)場實(shí)測分析

根據(jù)以上結(jié)論，B4-2 號煤層開采時(shí)，留設(shè)20 m的殘留煤柱，1301 工作面采用內(nèi)錯式布置，采取內(nèi)錯距15 m 的下位煤層巷道布置方式，這樣有利于B3 號煤層回采時(shí)工作面巷道的維護(hù)。為驗(yàn)證甘溝B3 號煤層巷道合理布置，對1301 工作面巷道回采期間圍巖變形進(jìn)行監(jiān)測，如圖8 所示。

由圖8 可知，工作面煤層回采期間，巷道頂?shù)装遄冃瘟繛?0～90 mm，巷道兩幫的變形量為30～190 mm，隨著工作面到煤壁的距離增加，二者的變形量都在減小。通過現(xiàn)場測試結(jié)果可知，確定甘溝1301 工作面采用內(nèi)錯距為15 m 的方式布置巷道時(shí)，巷道的圍巖可保持較高的穩(wěn)定性，進(jìn)一步驗(yàn)證B3 號煤層巷道布置采用內(nèi)錯距為15 m 方式為最佳布置方案。

圖8 1301 工作面回采巷道圍巖變形量

6 結(jié) 論

1）利用滑移線理論，通過公式計(jì)算得到甘溝B4-2 號煤層開采后，對底板巖層破壞的最大深度為18.7 m，嚴(yán)重影響到B3 煤層的開采，通過介紹下位煤層巷道布置方式，分析該礦合理的巷道布置方式，確定合理的采面錯距，選取內(nèi)錯式布置巷道，內(nèi)錯距不小于6.03 m。

2）采用UDEC 數(shù)值模擬軟件對B4-2 號煤層殘留煤柱對底板造成的應(yīng)力分布情況，得到煤柱影響下的底板應(yīng)力演化特征：在煤柱中間位置垂直應(yīng)力為最大值，從中間至兩邊區(qū)域應(yīng)力呈遞減趨勢，隨著煤柱的垂直位移的增大，應(yīng)力分布范圍變大，但應(yīng)力環(huán)境的影響程度減小。B4-2 煤層開采后殘留煤柱造成底板破壞主要集中在煤柱的下方，最大破壞深度達(dá)20 m 左右，與理論部分計(jì)算符合B4-2 號煤層與B3 號煤層的層間距為10.38 m。因此，B3 號煤層開采收到上位煤層殘留煤柱的影響。通過對不同內(nèi)錯距下塑性區(qū)域分布情況進(jìn)行分析，得到內(nèi)錯距為15 m 塑性破壞區(qū)域最小。

3）通過工程實(shí)踐，甘溝B3 號煤層首采工作面采取內(nèi)錯距15 m 的方式進(jìn)行回采巷道的布置，對現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)測，巷道兩幫與頂板變形量小，，巷道圍巖有良好的穩(wěn)定性，利用工程驗(yàn)證上述分析的合理性。