近距離煤層下煤層回采巷道布置方式研究

王燕飛

（山西焦煤西山煤電西曲礦，山西 太原 030200）

0 引言

近年來，隨著煤炭開采強度的進一步增大，近距離煤層開采成為研究人員所重點關注的一項內容，但由于近距離煤層開采存在諸多特殊性，其仍然面臨著較多的技術難題。為解決這些技術難題，對巷道布置方式進行優化則是一項切實可行的工作，對此，應當重點研究近距離煤層下煤層回采巷道的優化布置方式，以實現這些煤層的安全高效開采[1]。

1 項目概況

某煤礦井田當前針對一號采取進行開采，該采區總厚度約為138.24 m，共計含煤15 層，煤層總厚度為10.11 m，該煤田設計產能為每年120 萬t。近年來，在高強度的開采下，井田主要采區4#煤近乎枯竭，經企業研究決定，為保證產能，針對采取南側的10#煤層進行開采。通過前期勘查作業得知，該煤層厚度為1.6～2.9 m，平均厚度為2.3 m，屬于較為穩定的可采煤層。但由于本次開采屬于典型的近距離煤層下煤層回采工藝，因此其安全風險因素較多，對此，勘查工作人員對目標開采區域工作面進行鉆孔和窺視分析，獲得典型分析圖像，如圖1 所示。

圖1 窺視圖像

經分析，該圖像對應鉆孔深度為7.9～8.7 m 范圍內，存在較多裂隙發育，整體性較差，對于回采工作的影響不容忽視，因此企業技術部門決定對圍巖穩定性進行較為詳盡的分析，并根據分析結果，設計更具針對性的巷道布置與支護方案[2]。

2 回采巷道布置方案

2.1 圍巖穩定性分析

在本次研究工作中，圍巖穩定性分析應用模糊聚類分析法進行分析，分析流程包括以下幾個步驟：根據前期勘查獲得的資料數據，對回采巷道內的圍巖分類指標進行取值和標準化處理；應用MATLAB 中的FCM工具函數，對樣本集進行計算，以得出模糊聚類中心；設定迭代閾值為1×10-4，進行40 次迭代計算，求出隸屬度數值，如表1 所示。

從上表中的數據可見，在開采過程中，8102 工作面的運輸巷和回風巷屬于第三類，評級為“較穩定”；而10103 工作面的運輸巷和回風巷則屬于第五類，評級為“極不穩定”，需要重點對此進行巷道布置優化和支護作業。

2.2 巷道布置整體方案

針對本次近距離煤層下煤層回采巷道布置的實際情況，并兼顧礦井實際生產需求，采用內錯式布置方式，將下煤層的回采巷道布置在上煤層工作面正下方。在此基礎上，對以下幾方面的重要參數進行確定[3]。

一是確定巷道合理錯距。根據相關理論分析可知，煤柱在受到均布載荷作用后，煤層底板將形成一定的應力分布規律，其影響邊界通常為載荷p 的5%。同時，在集中載荷作用下，應力在底板內的傳遞效果將隨著煤柱距離的增大而下降，二者之間近似為反比例函數關系，對此，引入應力傳播影響角θ，應力影響范圍即可簡化如圖2 所示。

圖2 應力影響范圍示意圖

根據該示意圖可知，應力傳播影響角θ 隨著支承壓力的增大而增大，考慮到實際安全系數，該角度值取25°。據此，設計人員將本次擬開采的10#煤層回采巷道布置在8#煤層的底板應力影響范圍之外，避免上煤層底板遺留煤柱存在應力的影響。在此基礎上，下煤層回采巷道的合理錯距則根據方程L≥（h1+h2）×tanθ 進行計算，其中h1為煤層間距，h2表示10#煤層的厚度，代入相關數據后可求得L 的最小值為4.4 m，考慮到應力降低區的應力分布不均，將該結果乘以一個安全系數1.5，再考慮回采工藝流程可能造成遺留煤柱集中應力的增大，綜合分析后，確定合理錯距值為10 m。

二是確定最終的回采巷道布置方案。基于已確定的內錯式布置方案，將10103 工作面運輸巷布置在8103 工作面采空區下；同時10103 工作面回風巷布置在8102 工作面采空區下，外錯8103 工作面。

為檢驗該方案的可行性，結合已有的研究結果，應用FLAC3D 軟件進行模擬分析。根據已有資料，選取數值模型尺寸為300 m×100 m×100 m，并進行劃分網格和模擬施加7.3 MPa 的均布載荷，而后進行數值計算，計算結果如圖3 所示。

圖3 應力分析云圖（左）和塑性區破壞云圖（右）

根據上圖并應用軟件進行計算分析后得知，在該方案下，工作面運輸巷最大垂直應力為0.15 MPa，且巷道所在區域為應力降低區；塑性區破壞深度為1～3 m，且因上煤層采空區上覆巖層垮落，逐漸趨于穩定狀態。證明本次方案具有相對較高的可行性[4]。

3 支護方案的設計

3.1 回采巷道支護參數的確定

由于在本次近距離煤層下煤層回采工作中，采區的10103 工作面穩定性相對更低，因此本環節重點對此工作面的支護進行研究，具體分為以下幾個部分。

一是確定頂板支護方案。結合實際情況，該工作面運輸巷和回風巷均采用規格為Φ20 mm×2 200 mm的高強度左旋無縱筋錨桿作為頂板錨桿，每排布置5根錨桿，間排距則控制為900 mm×1 000 mm，采用樹脂加長錨固方式進行錨固，錨固長度為1 309 mm。同時采用規格為150 mm×150 mm×8 mm 的高強度拱形托盤，將其安設在錨桿靠近巷幫的一側。

二是確定巷幫支護方案。針對該工作面運輸巷和回風巷，巷幫錨桿均采用規格為Φ20 mm×2 200 mm的高強度左旋無縱筋錨桿，每排布置3 根錨桿，間排距控制為900 mm×900 mm，仍采用樹脂加長錨固方式進行錨固。同時在安裝過程中，靠近頂板的錨桿安設角度向頂板方向部偏移20°，其余兩根則垂直巷幫安設[5]。

三是確定架棚支護方案。本次采用11#礦用工字鋼棚進行支護，并控制各鋼棚單體間的距離為1 000 mm進行布置。

3.2 礦壓監測

為檢驗支護效果，在巷道掘進過程中，針對本次10103 工作面，在該工作面的運輸巷布置三個測點，三個測點分別距離運輸巷20、40、60 m，布置完成后，采用十字交叉法進行監測，監測結果如表2 所示。

表2 礦壓監測結果

從上表中的數據可知，在該工作面中，巷道頂底板移近量和巷道兩幫移近量均處于相對較低的水平，證明本次采取的支護措施發揮了重要作用。

4 結語

整體來看，在本次研究中，結合某地煤礦采取中近距離煤層回采工作的實際需要，通過現場勘查、理論分析和實踐應用三個方面，對該煤礦內回采巷道的合理布置方式和支護技術均進行了一定的研究，并對實際應用效果進行了初步的分析和檢驗，結果表明，本次設計的回采巷道布置方式具有較高的合理性與可行性，有望在今后的相關工作中逐步得到實際應用。