泰安煤業極近距離煤層回采巷道合理布設位置研究

杜飛雄

(山西煤炭運銷集團 忻州有限公司，山西 忻州 034000)

近距或極近距離煤層在我國各大礦區廣泛存在，目前主要分為上行開采和下行開采兩種開采方式，其中上行開采是指先開采下位煤層，待圍巖穩定后進行上位煤層開采；下行開采是指先開采上位煤層，再對下位煤層進行回采[1]。無論下行開采還是上行開采，后開采煤層在先開采煤層采掘擾動和區段煤柱影響下，回采巷道圍巖完整性可能遭到一定程度破壞的同時，受區段煤柱應力集中的影響，巷道易發生較大變形，增加了巷道維護的難度和成本，嚴重制約了工作面安全生產，因此選擇合理的回采巷道布設位置尤為重要[2-4]。就下行開采而言，回采巷道布設位置從空間上分為內錯式、外錯式和重疊式3種，其中內錯式布置是指下位煤層巷道布置在上位煤層工作面采空區內側，該方式使巷道布置在應力降低區內，有利于維護巷道穩定；外錯式布置是指下位煤層巷道布置在上位煤層工作面采空區外側，工作面長度大，回采率高，但受上位煤層區段煤柱應力支承壓力作用的影響，巷道變形大，維護難度高[5-6]。

國內學者專家對回采巷道不同布置方式進行了大量研究，得到許多成果。王恩博通過對上位煤層煤柱應力在底板的傳遞規律的計算和不同錯距下巷道圍巖應力及變形規律的數值模擬結果，確定了9號工作面回采巷道的合理位置為內錯煤柱15 m[4]。賀海鷹通過理論計算和工程類比確定了茨溝營煤礦5 號煤層回采巷道的合理錯距為內錯5 m，并提出了分段+聯合支護的圍巖控制措施[5]。李進基于對回坡底煤礦11號煤回采巷道受10號煤采動影響的分析，確定了巷道合理布設位置，降低了巷道支護和維護成本[6]。

本文基于上述研究成果，針對泰安煤業12102回風巷道采用外錯煤柱5 m布置時，巷道變形大的情況，通過巷道圍巖地質力學測試和數值模擬研究，確定了合理內錯煤柱距離為5 m，為類似工作面回采巷道布設位置確定提供了參考。

1 工程概況

泰安煤業目前開采11號煤層和12號煤層，其中11號煤層厚度為1.43～1.95 m，平均1.57 m，煤層傾角3～14°，平均傾角為8°；12號煤層厚度為1.60～8.42 m，平均厚度為3.63 m，煤層傾角3～12°，平均傾角為7°。12號煤層直接底為泥巖，厚度為1.24～7.85 m，平均厚度為4.54 m；老底為S2砂巖，厚度為5.26～39.48 m，平均厚度為22.37 m。11號煤層和12號煤層間距為2.43～7.84 m，平均間距為3.63 m，為典型極近距離煤層。11號煤層11101工作面和11102工作面均回采結束，兩個工作面間留設34 m寬的區段煤柱。12號煤層12102工作面布置在11102工作面采空區下方，其中12102回風巷道采用外錯煤柱5 m的方式布置，巷道沿12號煤底板掘進，采用矩形斷面，斷面尺寸為4 500 mm×3 500 mm(寬×高)，設計走向長度1 041 m。上下位煤層相對位置及工作面布設情況如圖1所示。

12102回風巷道在掘進420 m期間，巷道出現底鼓和兩幫移近現象，礦方決定停止掘進并密閉。半年后，打開回風巷密閉發現，受到12101工作面回采影響，回風巷道250～420 m范圍內兩幫和底板出現較大變形，巷寬由4 500 mm減至2 000 mm～2 500 mm，巷高由3 500 mm減至1 500～2 000 mm，主要為底鼓。故此，礦方經過充分討論，決定12102回風巷道自200 m處改為內錯煤柱，重新掘進1條巷道，需確定其合理內錯煤柱距離。

圖1 巷道布置平面圖

2 巷道圍巖地質力學測試及評估

泰安煤業進行了3個測站的巷道圍巖地質力學測試。第1測點布置在11號煤層11102運輸巷道中，距輔運巷聯巷口75 m處；第2測點和第3測點分別布置在12號煤層上一采區輔運巷900 m和950 m處。分別采用全景鉆孔窺視儀和WQCZ-56型圍巖強度測試裝置對3個測點的地應力、圍巖結構和強度進行測試，其中地應力采用第1測點和第2測點兩個測點的結果，圍巖結構和強度測試采用位于12號煤層巷道中的第2測點結果。

2.1 頂板圍巖結構

依據第2測點鉆孔觀測結果，結合收集到的相關地質資料綜合分析可以得到：0～1.9 m為粉砂巖，呈深灰色，鈣質膠結，該段巖層完整性較好；1.9～3.6 m為11號煤，黑色，亮煤，煤體完整；3.6～8.9 m為砂質泥巖，巖層呈灰黑色，泥質膠結，其中4.2 m處為泥巖夾層，5.0 m、6.2 m處有明顯的橫向裂隙，6.2～8.9 m巖層完整；8.9～9.2 m為10號煤；9.2～10 m為泥巖，呈灰黑色，泥質膠結，完整性好。

2.2 頂板圍巖強度特征

采用WQCZ-56型圍巖強度測試裝置，在頂板鉆孔內進行了10 m范圍煤巖層的強度測試，強度測試結果表明：12號煤層頂板以上0～1.9 m為粉砂巖，巖石強度平均值為66.00 MPa；1.9～3.6 m為11號煤，煤體強度平均值為18.33 MPa。3.6～8.9 m為砂質泥巖，巖石強度平均值為55.67 MPa；8.9～9.2 m為10號煤層，煤體強度平均值為22.79 MPa；9.2～10.0 m為泥巖，巖石強度平均值為34.54 MPa。在幫孔對12號煤層進行煤體強度測試，結果如圖2所示。由圖2可知，12號煤層煤體強度平均值為14.34 MPa。

圖2 煤巖體強度測試結果

2.3 地應力特征

第1測站最大水平主應力為6.54 MPa，最小水平主應力為3.39 MPa，最大水平主應力方向為N38.6°W。第2測站最大水平主應力為7.23 MPa，最小水平主應力為3.92 MPa，垂直應力為6.12 MPa，最大水平主應力方向為N28.5°W。第3測站最大水平主應力為8.65 MPa，最小水平主應力為4.26 MPa，垂直應力為6.12 MPa，最大水平主應力方向為N29.7°W。根據0～10 MPa為低應力區，10～18 MPa為中等應力區，18～30 MPa為高應力區，大于30 MPa為超高應力區的判斷標準可知，該區域地應力場在量值上屬于低應力值區域。第2測點、第3測點最大水平主應力均大于垂直應力，最小水平主應力為最小主應力。所測區域應力場類型為σH>σV>σh型應力場。由此可知，最大水平主應力對巷道的頂底板影響作用大于對巷道兩幫的影響；垂直應力主要影響巷道兩幫的受力和變形。

3 巷道合理布設位置數值模擬分析

3.1 數值計算模型

根據泰安煤業12102回風巷道工程地質條件，采用FLAC3D數值計算軟件，建立數值計算模型，分別模擬研究內錯煤柱5 m、8 m、10 m和13 m進行12102回風巷道掘進時，巷道圍巖應力分布特征。綜合考慮各方面影響因素，將模型劃分為7層，模型尺寸為468 m×50 m×40 m，12102回風巷道斷面為5 000 mm×3 500 mm(寬×高)的矩形模型。數值模型共劃分為32 200個單元，35 438個節點。模型四周邊界限定水平方向位移，模型底部限定豎直方向位移[1,6]，模型頂部施加6.25 MPa的均布載荷以等效上覆巖層，所建數值計算模型如圖3所示。

圖3 數值計算模型

3.2 不同內錯煤柱距離下巷道圍巖垂直應力分布特征

圖4為不同內錯煤柱寬度情況下，巷道圍巖垂直應力與距12101采空區側煤柱邊界不同水平距離變化曲線。由圖4可知，在一定范圍內，隨著內錯煤柱寬度的不斷增加，12102回風巷道圍巖垂直應力集中程度越來越小，說明應力環境越來越有利于巷道的穩定。其中，內錯煤柱寬度為5 m時，12102回風巷道圍巖垂直應力峰值約為15 MPa；內錯煤柱寬度為8 m時，12102回風巷道圍巖垂直應力峰值約為10 MPa；內錯煤柱寬度為10 m和13 m時，12102回風巷道圍巖垂直應力峰值均約為5 MPa，變化不大。

圖4 不同內錯煤柱寬度下垂直應力隨距采空區距離的變化曲線

從應力曲線和最大應力值來看，內錯煤柱5 m時12102回風巷道位于低應力區。12102原回風巷道密閉打開之后，在200 m、250 m和300 m等3處回采幫，向12102工作面側施工鉆孔，鉆孔長度為10 m，對巷道圍巖結構進行探測，結果表明各孔前2～3 m煤幫均較為破碎，后7 m左右均較為堅硬，相對完整。綜合數值模擬結果、現場鉆探和已有工程經驗[3]，確定12102回風巷道合理布設位置為內錯煤柱5 m。

4 巷道支護方案及支護效果

4.1 巷道支護方案設計

結合12102回風巷道實際生產地質條件和12101工作面回采巷道支護方案，提出采用“錨網索”支護方案對12102回風巷道進行支護，支護斷面如圖5所示，具體參數如下：

1) 頂板支護。錨桿采用D20 mm×2 400 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為1 000 mm×1 000 mm，每根錨桿配合使用K2335和Z2360型低粘度樹脂錨固劑各1支，托板采用規格為150 mm×150 mm×8 mm的拱型高強度托板，錨桿預緊扭矩不低于250 N·m。采用規格為4 300 mm×280 mm×3 mm的W鋼帶和規格為4 700 mm×1 100 mm的鋼筋網。錨索采用D17.8 mm×6 300 mm的1×7股高強度低松弛預應力鋼絞線，間排距為1 800 mm×2 000 mm，每根錨索配合使用1支K2335和2支Z2360樹脂錨固劑，錨索托板采用300 mm×300 mm×12 mm拱形高強托板，錨索預緊力為180～200 kN。

2) 非回采幫。錨桿采用D20 mm×2 400 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為1 200 mm×1 000 mm，每根錨桿使用1支Z2360低粘度錨固劑，錨桿預緊扭矩不低于250 N·m。采用10號鐵絲編織的菱形金屬網護幫，網孔規格為50 mm×50 mm，網片規格為3 000 mm×1 100 mm。

3) 工作面側幫。錨桿采用D20 mm×2 200 mm的玻璃鋼錨桿，間排距為1 200 mm×1 000 mm，每根錨桿使用1支Z2360低粘度錨固劑，錨桿預緊扭矩40 N·m。采用塑料網護幫，網片規格3 000 mm×1 100 mm。

圖5 巷道支護斷面圖

4.2 支護效果

為了掌握12102回風巷道內錯煤柱5 m掘進期間巷道圍巖變形情況，在12102回風巷道內布設2組巷道表面變形測站，測站間距為50 m，對巷道圍巖變形情況進行實時觀測，結果表明：內錯煤柱5 m并采用上述支護方案對12102回風巷道支護后，巷道頂底板和兩幫相對移近量最大值分別為146.25 mm和92.04 mm，且在巷道掘進期間無冒頂、片幫和底鼓現象發生，為12102工作面安全回采提供了保障。

5 結 語

1) 對泰安煤業12102回風巷圍巖地質力學測試結果表明：12號煤層煤體強度平均值為14.34 MPa；應力場類型為σH>σV>σh型，即最大水平主應力對巷道的頂底板影響作用大于對巷道兩幫的影響；垂直應力主要影響巷道兩幫的受力和變形。

2) 采用FLAC3D數值模擬軟件，研究了不同內錯煤柱寬度下巷道圍巖垂直應力分布規律，確定了12102回風巷道合理布設位置為內錯煤柱5 m。

3) 提出了“錨網索”支護方案并設計了支護參數，現場應用結果表明：12102回風巷道內錯煤柱5 m掘進并進行支護后，巷道頂底板和兩幫相對移近量最大值分別為146.25 mm和92.04 mm，且在巷道掘進期間無冒頂、片幫和底鼓現象發生，巷道圍巖變形得到較好的控制。