近距離煤層上行開采巷道合理位置研究

史 強

(山西焦煤能源集團股份有限公司西山分公司,山西 太原 030053)

近距離煤層在我國大多數煤礦均有賦存,多采用從上到下的下行開采方式,但在部分礦井因地質勘探影響,原上覆不可采煤層轉變為可采煤層,為避免煤炭資源浪費,延續礦井壽命,采用上行開采方法對上覆煤層進行開采,由于上覆煤層下方為采空區,工作面回采過程中受底板集中應力影響,巷道變形嚴重,難以維護[1-3]。研究人員對上行開采技術進行了大量研究,楊濱濱等[4]對近距離煤層重復采動下覆巖裂隙的演化特征進行了研究,確定了不同開采方式下的巖層裂隙率;袁光明等[5]提出了以上部煤層臺階錯動量為核心的上行開采可行性判別方法;李崗偉等[6]通過分析下層煤開采影響程度以及礦壓顯現規律,給出了對上層煤開采可行性進行了判定。在采用上行開采方式下,巷道位置的合理布置有利于減小圍巖變形,提高巷道穩定性,本文以山西永寧煤礦地質條件為背景,對上行開采工作面巷道位置的布置方式進行了研究,研究結果對礦井相似條件工作面巷道布置具有一定參考意義。

1 工程概況

永寧煤礦當前開采煤層為3號、4號煤,3號煤層厚度平均為1.5 m,傾角為3°,4號煤層平均為1.5 m,傾角為3°,兩煤層層間距為28 m,層間巖層巖性主要為泥巖、砂質泥巖、砂巖,煤層頂底板情況如圖1所示。4號煤層當前已回采結束,現將對上方3號煤層進行回采,其中3207工作面位于4號煤層4205工作面(采空區)上方,4205工作面傾斜長度為150 m,其與相鄰工作面之間留設煤柱寬度為20 m.3207工作面計劃用“一進一回”兩巷布置方式,其中32071巷為膠帶巷,設計斷面大小寬×高=4.0 m×2.4 m,32072巷為回風巷,設計斷面大小寬×高=4.0 m×2.4 m.

圖1 煤層頂板綜合柱狀圖

2 巷道合理位置研究

3207工作面巷道位置選擇時,需考慮下組煤工作面回采后層間巖層裂隙變化情況以及煤柱集中應力分布情況,從而確保巷道布置在穩定區域內。

2.1 層間巖層裂隙窺視

下層煤開采后,層間巖層主要為頂板裂隙帶區域,為驗證巖層裂隙發育情況,在3號煤采區大巷內進行了底板鉆孔窺視,窺視鉆孔位置在采區運輸巷100 m與200 m處,底板鉆孔深度為20 m,鉆孔窺視結果如圖2、圖3所示。根據窺視結果,在鉆孔淺部裂隙發育較少,裂隙以及離層等情況主要集中在7～17 m區域,由于層間巖層厚度平均為28 m,因此4號煤開采后頂板21 m以上巖層裂隙發育相對較少,巖層完整性與連續性基本保留。該結果表明,3號煤層底板淺部巖層裂隙發育相對較少,但巷道布置應避開底板應力集中區域,防止巷道掘進期間因采動影響導致原生裂隙進一步擴大,影響巷道穩定。

圖2 100 m處鉆孔窺視結果

圖3 200 m處鉆孔窺視結果

2.2 數值模擬分析

為確定下組煤開采后應力集中區域,采用數值模擬軟件對4號煤回采后3號煤層的應力分布情況進行了模擬。根據3號、4號煤層以及頂底板巖性,建立數值計算模型,模型中4號煤底板為20 m,煤層間距為28 m,3號煤層上覆頂板巖層厚度為50 m,模擬4號煤層工作面開采寬度為150 m,模型兩側巖層寬度為70 m,因兩煤層傾角較小,因此模擬計算過程中不考慮傾角影響。

模型建立后,對4號煤層工作面進行回采,模擬推進長度為150 m,圖4為4號工作面推進后3號煤層區域的垂直應力云圖及垂直應力曲線圖,圖5為水平應力云圖及垂直應力曲線圖。

圖4 垂直應力云圖及曲線圖

圖5 水平應力云圖及曲線圖

根據圖中結果,4號煤層工作面回采結束后,頂板巖層處于卸壓狀態中,但在3號煤層位置,應力水平較高,存在集中現象。以工作面一側進行分析,可以看出,垂直應力的峰值點在采空區外20.5 m處,峰值為6.87 MPa,由于原巖應力為6.14 MPa,峰值應力集中系數為1.12,3號煤整體垂直應力水平較低,因此按照1.1倍原巖應力值作為高應力區劃分值,則垂直應力高應力區為采空區外6.5～25.3 m;水平應力的峰值點在采空區內25 m處,峰值為2.03 MPa,由于原巖應力為1.6 MPa,峰值應力集中系數為1.27,3號煤整體水平應力水平較低,因此按照1.1倍的應力值作為高應力區劃分值,則水平應力高應力區為采空區內9.1～46.9 m.

上述模擬結果表明,下層4號煤開采后,3號煤層局部將出現應力集中情況,高應力區分別為采空區外6.5～25.3 m以及采空區內9.1～46.9 m.

3 現場應用

3.1 巷道布置方案

根據上述窺視以及數值模擬結果可知,3號煤層高應力區位于采空區外6.5～25.3 m以及采空區內9.1～46.9 m,因此3號煤層工作面巷道布置時,應盡量避開此區域。因此3207工作面巷道布置方案制定為:32071巷布置在采空區外2 m處,該區域受下層煤開采影響較小,裂隙相對發育較少,有利于巷道支護;避開下層煤開采后的高應力區,可避開煤層內高應力區域,受下部煤層開采影響較小,內部裂隙發育少,巷道易于支護;32072巷布置在采空區內3 m處,該區域位于下層煤開采后下沉區域的邊緣,裂隙發育較少,煤層較穩定,巷道布置方案如圖6所示。3207工作面設計傾斜長度為145 m,與相鄰工作面煤柱寬度設計為26 m.

圖6 巷道加強支護斷面圖

3.2 巷道支護設計

32071/2巷道斷面設計為矩形,斷面大小寬×高=4.0 m×2.4 m,采用錨桿+錨索+金屬網聯合支護方式,巷道支護斷面如圖7所示。其中,頂錨桿長度為直徑20 mm、長度2.2 m的左旋螺紋鋼錨桿,間排距設計為900 mm;幫錨桿采用直徑為18 mm、長度為2.0 m的左旋螺紋鋼錨桿,間排距同樣為900 mm,頂板補強錨索采用直徑為17.8 mm、長度為6.3 m的鋼絞線,采用2-2布置方式,間距設計為1 600 mm,排距為1 800 mm.

圖7 巷道支護斷面圖(單位:mm)

3.3 礦壓監測分析

在確定巷道布置方案后,在現場進行了應用,并在32071巷掘進期間,對巷道變形量進行了監測,監測結果如圖8所示。根據巷道圍巖變形結果,巷道掘進過程中圍巖變形處于持續增大中,滯后工作面30 m時變形量開始穩定,頂底板移近量最大達到145 mm,其中以底鼓變形量為主,兩幫變形量最大為105 mm,兩幫變形基本一致。巷道整體變形處于可控范圍內,因此該巷道布置方案應用效果較好。

圖8 巷道圍巖變形曲線圖

4 結 語

本文以永寧煤礦開采條件為背景,采用數值模擬、現場試驗方法,對近距離煤層巷道布置方案進行了研究,結論如下:

1) 3號煤層底板淺部巖層裂隙發育相對較少,下層煤開采后,3號煤層局部將出現應力集中情況,高應力區分別為采空區外6.5～25.3 m以及采空區內9.1～46.9 m.

2) 設計了3207工作面巷道布置方案,其中32071巷布置在采空區外2 m處,32072巷布置在采空區內3 m處,工作面設計傾斜長度為145 m,與相鄰工作面煤柱寬度設計為26 m,同時確定了巷道支護方案,并對巷道掘進過程中圍巖變形量進行了監測,結果表明該巷道布置方案具有較好的應用效果。