近距離雙厚煤層變層間距條件下回采巷道布置方式研究

郭偉亮，常毛毛，宋曉寒

（1.陜西小保當礦業有限公司，陜西 榆林 719000；2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；3.天地科技股份有限公司，北京 100013）

0 引言

近距離特厚煤層群在開采過程中，會引起回采空間周圍巖層應力重新分布，受載條件復雜，煤柱的應力集中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性能變差，變形急劇增大。因此，上下煤層工作面的位置關系與回采巷道布置的問題是一個難題。針對近距離上下位煤層回采巷道布置方式，國內外已經展開了大量的研究工作，取得了一定的研究成果。何富連等[1]分析了主應力差與應力降低區因素對近距離下部煤層巷道合理內錯距離的影響，認為巷道應布置于低主應力差環境；趙智楠[2]分析了極近距離遺留煤柱底板變形破壞機理，將底板巖層破壞區分為主動應力Ⅰ區、過渡Ⅱ區及被動應力Ⅲ區；丁國利[3]建立了上層采空區和殘留煤柱的力學模型，對比了采空區下回采巷道不同錯距的受力情況，提出了一種合理的巷道布置方式；陳朋磊[4]通過對巷道圍巖特性的研究，確定了合理的外錯布置距離，配合高強度預應力錨索、錨桿支護，有效解決了巷道高應力問題；戴文祥[5]研究了上覆煤柱集中應力在底板的傳遞特征，分析了煤柱的相對位置對下位煤層回采巷道的影響；其他學者也對不同條件下的近距離煤層群開采進行了大量有意義的研究[6-10]。國內外現有研究表明，近距離煤層巷道布置與上下煤層厚度、層間距以及原巖應力水平等因素有關，在近距離煤層群均為特厚煤層且層間距變化較大的條件下，如何合理調整下煤層回采巷道與上煤層采空區遺留煤柱的位置關系，還缺乏相關研究。因此，筆者基于鄂爾多斯地區準旗煤礦近距離特厚煤層群的特殊條件，研究了在變層間距條件下下位煤層回采巷道合理的布置方式。

1 概 況

鄂爾多斯地區準旗煤礦目前開采6上煤層一采區和二采區，兩采區均以6上煤與6 號煤分叉區為主，采用綜采放頂煤工藝進行分層開采。隨著礦井一采區6上煤層開采逐漸進入尾聲，礦井煤炭開采將逐步轉入下部的6 號煤層開采，6 煤首采工作面擬布置在一采區南翼東側的6上115 工作面下方。6上煤層位于石炭系上統太原組第二巖段上部，煤層埋藏深度為122.10～629.19 m，平均364 m，煤層厚度一般在4.50～26.22 m，平均13.63 m，屬特厚煤層。6 號煤層位于石炭系上統太原組第二巖段下部，煤層埋藏深度為131.01～650.72 m，平均380.19 m，煤層厚度為1.25～13.32 m，平均6.49 m，以厚～特厚煤層為主。6 號煤層頂板以泥巖為主，局部為粗粒砂巖，距6上煤層間距為0.04～30.75 m，主要分布在25 m 以下，平均9.38 m，且層間距變化較大，其中6 煤首采工作面所在位置上下煤層層間距分布在2～26 m，平均為23 m。一采區南翼6上煤與6 煤層間厚度分布如圖1 所示。

圖1 一采區南翼6上煤與6 煤層間厚度分布Fig.1 Thickness distribution between No.6 upper coal seam and No.6 coal seam in the south wing of No.1 mining area

2 近距離煤層回采巷道布置方式的選擇

近距離煤層群下位煤層回采巷道相對于上位煤層的布置方式主要有內錯式布置（平移布置是一種變相的內錯布置）、外錯布置和重疊布置等方式。近距離煤層開采時，上位區段煤柱將承受較大的支承壓力，集中應力系數可達3～6 倍，外錯式和重疊式布置方式都不可避免地受到上煤層區段煤柱支承壓力的影響，巷道維護較為困難；而上煤層開采后，采空區的頂板壓力得到釋放，處于原巖應力區或者卸壓區。根據砌體梁理論，煤層開采后，上位巖層能形成“砌體梁”式的平衡，使回采工作面空間依然處于已破裂而互相擠壓的巖塊形成的結構保護下。因此，一般在工作面后方及護巷煤柱兩側一定距離內形成減壓區。下煤層巷道內錯布置可以充分利用減壓區的優勢，有利于回采巷道穩定（圖2）。從我國近距離煤層群開采實踐來看，內錯布置方式運用較多，外錯布置相對較少，而近年來，平移式布置逐漸成為我國近距離煤層開采下煤層回采巷道的又一種主要布置方式（圖3）。因此，為了使6 煤回采巷道避開上煤層遺留煤柱的高應力影響，并避免純內錯布置造成的下煤層煤柱留設過大問題，一采區6 煤回采巷道可采用平移布置方式，使6 號煤工作面兩條回采巷道均位于上煤層采空區下方，且煤柱損失較小。

圖2 內錯布置Fig.2 Inner crossing layout

圖3 平移布置Fig.3 Horizontal displacement layout

3 近距離煤層回采巷道布置數值模擬

采用FLAC3D 數值模擬軟件對6上煤回采動壓影響下的6 煤巷道合理布置位置進行研究，模擬在上部6 煤開采后，不同底板深度和不同水平位置條件下6 煤回采巷道圍巖應力環境的變化，進而判斷6 號煤回采巷道合理的水平錯距。以6 煤首采工作面區域鉆孔柱狀圖為原始條件，6 號煤層厚度取9 m，6上煤厚度取10 m，據南翼一采區不同區域6上煤與6 號煤層層間距的分布特征，按間距為25 m和層間距為10 m 分別建立數值模型進行模擬。模型中6上煤回采工作面之間的區間煤柱寬度取30 m。模型長度均為470 m。

3.1 煤柱下方底板應力分布特征

在上部6上煤相鄰兩工作面依次開挖后，得出遺留煤柱下方垂直應力等值線云圖，具體如圖4 所示。通過在底板不同深度設置水平監測線，得到煤柱下方不同深度垂直應力沿傾向分布曲線，如圖5所示。

圖4 煤柱下垂直應力等壓線分布Fig.4 Distribution of vertical stress isobaric line under coal pillar

圖5 遺留煤柱下方不同深度垂直應力沿傾向分布曲線Fig.5 Vertical stress distribution curve along the tendency at different depths under the remaining coal pillar

可見煤柱下方不同區域垂直應力值具有顯著差別，根據所受煤柱集中應力影響程度的不同，沿水平方向可以將煤柱下方底板大致分為3 個區（圖5）：A 區為煤柱下方集中應力區；B 區為煤柱集中應力擴散區；C 區為應力恢復或原巖應力區。3 個區域沿煤柱中心線基本呈對稱分布。A 區位于煤柱正下方，應力集中程度最高，如在該區域內布置下煤層巷道，必然會加劇下位巷道變形破壞；B 區仍在煤柱集中應力影響之下，且受到偏應力影響，下位巷道掘進時靠近煤柱側幫部變形破壞往往要比另一側嚴重；C 區已基本擺脫煤柱集中應力的影響，由于巷道兩側應力環境相近，巷道掘進時兩幫變形破壞程度也基本一致，且處于較低水平，因此，在此區域布置巷道較為適宜。

隨著底板深度的增加，煤柱下方底板集中應力峰值及應力集中系數呈線性遞減趨勢（圖6）。煤柱下方5 m 底板支承壓力峰值大小為11 MPa，應力集中系數為2.65；到煤柱下方25 m 時，底板支承壓力峰值降為8.53 MPa，應力集中系數降為1.83。但集中應力的擴散范圍隨著底板深度的增加呈現增大趨勢，如：底板深度5 m 處，應力集中影響范圍僅限于煤柱下方區域，而當底板深度為25 m 時，集中應力的影響范圍已擴大至煤柱邊緣27 m 左右。

圖6 煤柱下方不同底板深度集中應力峰值及應力集中系數分布Fig.6 Distribution of stress concentration peak and stress concentration factor of different floor depth under coal pillar

3.2 不同層間距、水平錯距下煤層巷道應力環境數值模擬

在6上煤區段煤柱兩側工作面依次回采，并且待圍巖恢復穩定后，在距離區段煤柱不同位置對6煤回采巷道進行掘進開挖模擬。模擬計算中，按照6 號煤層回采巷道與同側6上煤回采巷道水平錯距的不同，共分煤柱正下方、外錯5 m、內錯5、10、15、20、25、30、35、40 m 等11 個方案進行模擬。當上下煤層層間距為25 m 和層間距為10 m時，6 煤巷道及6上遺留煤柱下方垂直應力分布情況分別如圖7 和圖8 所示（受篇幅所限，此處僅列出部分模擬結果）。

圖7 層間距25 m 時6 煤巷道圍巖應力分布狀態Fig.7 Stress distribution state of surrounding rock in 6 coal roadway with 25 m layer spacing

圖8 層間距10 m 時6 煤巷道圍巖應力分布狀態Fig.8 Stress distribution state of surrounding rock in 6 coal roadway with 10 m layer spacing

由圖7 可知，在層間距為25 m 條件下，隨著遠離上方遺留區段煤柱，6 煤巷道深部圍巖所處的應力環境逐步改善。當6 煤巷道布置在煤柱的正下方時，巷道整個處于煤柱高集中應力作用范圍內，巷道易發生嚴重的變形破壞。當6 煤巷道外錯6上煤回采巷道5 m 布置時，此時6 煤巷道靠近煤柱邊緣，但仍處于煤柱下方，巷道圍巖應力相比沿煤柱中心布置時應力環境有所改善，但巷道仍位于高應力區內，且巷道右幫（靠近煤柱中心幫）應力大于左幫，易造成兩幫不對稱變形。在6 煤巷道采用內錯布置后，6 煤巷道位于采空區下方，且隨著與區段煤柱水平距離的增加，巷道圍巖應力明顯降低，但右幫巷道深部圍巖應力始終大于左幫，巷道右幫未脫離煤柱支承壓力的影響。當6 煤巷道內錯6上煤巷道30 m 布置時，巷道兩幫開始均位于原巖應力區內，兩幫圍巖應力分布特征基本相同，巷道深部圍巖應力降低至原巖應力，此時巷道避開了煤柱下方的高應力區，進入一個應力較低且相對穩定的區域。

由圖8 可知，當層間距為10 m 時，6 煤巷道圍巖應力變化規律與層間距25 m 時基本相同，但是隨著6 煤巷道與6上煤區段煤柱水平內錯距離的增加，巷道圍巖應力下降幅度更為顯著。當6 煤巷道內錯6上煤巷道20 m 布置時，巷道兩幫開始均位于原巖應力區內，兩幫圍巖應力分布特征基本相同，巷道深部圍巖應力降低至5 MPa 以內，進入一個應力較低且相對穩定的區域。

因此，根據數值模擬結果分析，在6上煤與6煤層間距為25 m 時，在6上煤煤柱集中應力的影響下，6 煤巷道合理布置的方式為內錯于同側6上煤回采巷道不小于30 m 的距離；當層間間距為10 m時，內錯距離為不小于20 m。一采區6上煤與6 煤層間距主要分布在25 m 以下，平均為9.38 m，因此，兼顧不同層間距條件下6 煤工作面巷道布置，6 煤巷道內錯同側6上煤巷道的距離應不小于30 m。

4 6 煤工作面回采巷道布置方案

綜合理論分析與數值模擬結果，位于采區邊界的6 號煤層首采工作面回采巷道采用內錯式布置，后續工作面回采巷道采用平移式布置，在實際布置當中，為減少礦井邊界附近煤炭損失，6 煤首采工作面輔運順槽與6上115 工作面輔運順槽之間留5 m 小煤柱，6 煤接替工作面的輔運順槽與6上115工作面膠運順槽的內錯距取30 m（圖9），確保下位巷道處于良好應力環境，減少煤炭資源損失。

圖9 6 煤工作回采面巷道布置斷面示意Fig.9 Layout section of mining roadway in No.6 coal seam face

5 結論

（1）為了使6 煤回采巷道避開上煤層遺留煤柱的高應力影響，并避免純內錯布置造成的下煤層煤柱留設過大問題，平移式布置是一種理想的布置方式。

（2）在上煤層遺留區段煤柱下方底板垂直應力沿水平方向大致分為煤柱下方集中應力區（A區）、煤柱集中應力擴散區（B 區）、應力恢復或原巖應力區（C 區）；為免受上煤層區段煤柱集中應力的影響，C 區是下煤層巷道理想的布置區域；集中應力的擴散范圍隨著底板深度的增加呈現增大趨勢，當底板深度為25 m 時，6上煤區段煤柱集中應力的影響范圍為距煤柱邊緣27 m 左右。

（3）根據不同層間距和水平錯距下煤層巷道圍巖應力環境數值模擬結果分析，為兼顧變層間距條件下6 煤工作面巷道布置，6 煤巷道內錯同側6上煤巷道的距離應不小于30 m，并對6 煤首采工作面和接續工作面的回采巷道布置方案進行了設計。