近距煤層群下部煤層回采巷道布置研究

張 浩，伍永平，羅生虎

(1.西安科技大學能源學院，陜西 西安 710054；2.西部礦井開采及災害防治教育部重點實驗室，陜西 西安 710054)

煤層群廣布于我國諸多礦區(qū)[1]，開采時相互影響的煤層群為近距煤層群[2]。近距煤層群開采，煤層間距小，下部煤層回采采場處于上部工作面采空區(qū)及殘余煤柱影響區(qū)下方，上部煤層開采形成的礦壓極易轉移至底板，并在底板巖層更廣范圍內形成力學集中作用區(qū)，預破壞底板巖層結構，而上部工作面底板即下部煤層采場覆(圍)巖，可知下部采場巖體穩(wěn)定狀態(tài)一定程度上遭到破壞，且下部煤層回采也會形成礦壓，雙重礦壓擾動作用加劇下部采場圍巖運移、破壞，增加下部采場巖層控制難度。

合理布置近距離下煤層回采巷道是煤礦安全生產的重要環(huán)節(jié)[3-4]，眾多學者對此從近距煤層群下部采場回采巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，巷道合理間距，巷道圍巖失穩(wěn)機理及控制技術等不同角度進行了大量有益研究[5-11]，取得了系列性成果，但是目前研究主要是針對特定礦井近距煤層群開采，而各礦區(qū)成煤過程各異，致使煤層賦存地質條件不一，近距煤層群下部煤層回采巷道的合理性布置仍需進一步研究。本文以馮家塔近距煤層群開采為工程背景，綜合應用現(xiàn)場實測、數(shù)值計算、理論分析手段，深入研究近距煤層群下部煤層回采巷道布置影響因素及參數(shù)，為類似條件煤層安全開采提供參考。

1 礦井生產技術條件

馮家塔煤礦目前主采2#煤層和4#煤層，其中，2#煤層位于4#煤層上部。2#煤層平均厚度為3.08 m，煤層頂板主要為粉砂巖，底板主要為粉砂巖、泥巖、少量炭質泥巖。4#煤層賦存深度為35～195.5 m，平均賦存深度為116.1 m，煤層厚度1.65～8.60 m，平均厚度為4.22 m，煤層傾角0～3°，平均傾角1.5°，單軸飽和抗壓強度6.9～12.0 MPa，煤層頂板為泥巖、細砂巖、粉砂巖，單軸抗壓強度37.8～98.9 MPa，飽和抗壓強度4.7～28.7 MPa，軟化系數(shù)0.17～0.52，巖體完整性一般，底板為細粒砂巖、粉砂巖，單軸抗壓強度49.4～100.2 MPa，飽和抗壓強度31.2～66.2 MPa，軟化系數(shù)0.28～0.41，巖體結構較完整。兩主采煤層間距為4～22 m，平均煤層間距為10 m，屬近距煤層群開采。2#煤層和4#煤層采掘采用分段交錯式，煤層采用長壁綜合機械化開采法，全部垮落法管理項板。

2 下部煤層巷道圍巖松動圈范圍

回采巷道開掘，煤(巖)體原始力學平衡狀態(tài)遭到破壞而向新平衡狀態(tài)演變，巷道圍巖中易形成集中力，從而迫使其發(fā)生變形、移動等破壞形成松動圈，力學作用強度越大，圍巖破壞程度及受影響范圍越廣，即松動圈范圍越大，且工作面開采擾動會加劇巷道圍巖破壞，而松動圈內巖體運移破壞會直接影響巷道使用要求、服務年限、支護等情況，因此，松動圈測試是巷道合理性布置的關鍵。

松動圈測試充分考慮圍巖弱面、結構影響及巷道交叉口特殊位置，在4#煤層1402工作面布置6個測試斷面(表1)，測試斷面頂幫均采用錨桿支護，其中4-1斷面、4-7斷面頂板采用錨索加強支護。4-5斷面測試(圖1)表明：頂板巖體3.2 m范圍內較松散、 破碎，左幫巖體1.4 m范圍內裂隙發(fā)育，較破碎，右?guī)蛶r體1.3 m處存在大裂縫，1.3～1.9 m范圍內巖體裂隙發(fā)育，根據(jù)巖體破碎、裂隙發(fā)育狀況，可確定松動圈范圍，由此可知，4-5斷面巷道頂、左幫孔、右?guī)涂姿蓜尤Ψ秶謩e為0～3.2 m、0～1.4 m、0～1.9 m。

表1 松動圈布測位置Table 1 Loose circle measuring position

圖1 4-5斷面圍巖狀況Fig.1 Surrounding rock condition of 4-5 section

由松動圈測試結果(表2)可知，4-1斷面松動圈范圍明顯較4-2斷面、4-3斷面小，分析可知，該斷面位于巷道開口處，未受上部煤層開采擾動，巷道圍巖結構相對完整，加之錨桿索聯(lián)合支護作用圍巖運移得到有效控制。對4-4斷面圍巖松動圈測試分別在遠離回采面、靠近回采面時進行，對比兩次數(shù)據(jù)可知，工作面回采至該斷面附近時圍巖松動圈隨之擴大，采動作用對臨近巷道穩(wěn)定性影響顯著。4-6斷面頂板松動圈范圍最大，該測試斷面位于1402工作面回采冒頂區(qū)，其上是上部煤層1201工作面采空區(qū)地勢最低區(qū)域，極易形成積水，且采空區(qū)水會沿著采動作用形成的裂隙向下滲流，致使頂板泥巖受采空區(qū)水侵蝕發(fā)生軟化，巖體運移破壞加劇，裂隙發(fā)育，致使頂板松動圈范圍增加。

表2 松動圈測試結果Table 2 Loose circle measuring results

3 近距下部煤層巷道布置影響因素

近距煤層群下部煤層巷道布置合理性設計的基礎是對于布置影響因素確定及其作用分析，而確定布置影響因素的關鍵是充分把握下部采場生產技術條件。近距煤層群開采，上部采場礦壓會經殘余煤柱向底板巖體轉移，從而改變下部采場巷道巖體承載力學環(huán)境，上部采場采空區(qū)易積水改變下部采場巖體物理性能，而同煤層開采礦壓亦會擾動臨近巷道，因此，對于近距煤層群下部煤層回采巷道布置影響因素的分析主要從殘余煤柱承載、采空區(qū)水、同煤層采動作用三方面來進行。

3.1 上部采場殘余煤柱影響

工作面回采會形成采空區(qū)域，覆巖力學狀態(tài)失衡迫使巖體向采空區(qū)運移，形成頂板壓力，頂板壓力以橢圓拱狀分布在覆巖中，垂向上具有明顯的力學分區(qū)性。頂壓在作用過程中頂板巖層會充當傳力媒介，使得頂壓發(fā)生轉移，由圖2可知，頂壓廣布于工作面，且壓力拱腳位于殘余煤柱處，說明頂壓會影響煤柱穩(wěn)定性，進而作用上部采場底板巖層，煤柱臨近回采巷道的煤體中易形成集中應力，并在一定深度處達到力學強度峰值，強度值達到9.3 MPa，煤柱承載整體呈現(xiàn)出馬鞍狀分布形態(tài)。

頂壓經巖梁傳遞形成支承壓力而作用于煤柱，煤柱中的煤體受到高壓作用極易發(fā)生不可恢復性破壞形成塑性區(qū)(圖3)，煤柱承載性能降低，致使支承壓力向煤柱深部轉移而達到峰值，峰值前煤體由于集中力作用形變破壞程度較峰值后大，而煤體破壞實質為支承壓力作用的釋放過程，即煤體破壞程度越大，卸荷越明顯，煤柱承載表現(xiàn)為“先升后降”的分布特征，殘余煤柱是兩個工作面的安全分界區(qū)域，其承載必然受到煤柱兩側工作面頂壓作用，力學疊合作用影響使得殘余煤柱承載分布形態(tài)呈現(xiàn)為馬鞍狀。

上部采場覆巖垮落矸石在采空區(qū)積聚，工作面會形成矸石-支架-煤柱承載系統(tǒng)，頂壓首先作用煤柱等承載體，高壓作用迫使煤體破壞，降低其承載性能，使得頂壓經矸石、支架、煤柱等承載介質向底板巖層轉移，擾動底板巖層穩(wěn)定性，形成雙拱形力學作用區(qū)；圖2表明工作面底板巖層中會出現(xiàn)明顯的應力降低區(qū)，應力值降低說明應力得到釋放，應力釋放過程亦為巖體破壞演變、發(fā)展過程，而上部采場底板是下部采場頂板，說明上部采場礦壓會預損傷下部煤層巷道頂板巖層結構，使得下部煤層巷道圍巖完整性降低。

圖2 上部采場殘余煤柱承載Fig.2 Residual pillar loading of upper stope

圖3 殘余煤柱影響示意Fig.3 Influence of residual pillar

上部采場底板巖層承壓分布具有明顯分區(qū)性，從距殘余煤柱距離來看，表現(xiàn)出強度值由近及遠逐步降低的趨勢，殘余煤柱底部附近巖層中易發(fā)生力學集中，形成集中力作用影響區(qū)，加劇上部采場底板巖層破壞。分析可知，雙工作面采動形成的礦壓，在殘余煤柱附近區(qū)域易發(fā)生疊加，煤柱所承受壓力強度增加，而煤柱自身承載性弱，頂壓經殘余煤柱傳遞，會較大程度的轉移至底板巖層，致使殘余煤柱附近底板巖層中形成壓力集中區(qū)，使得下部煤層所處力學環(huán)境顯著變化，巷道礦壓顯現(xiàn)更為劇烈。

綜上分析可知，殘余煤柱承載、與煤柱垂直距離、與煤柱邊緣水平距離是影響下部煤層圍巖內任一位置承載狀態(tài)的三要素，也是下部煤層回采巷道布置不容忽視的因素，而特定地質條件下煤層群開采，煤柱承載、煤層間距是一定的，因此近距煤層群下部煤層回采巷道布置的關鍵是確定下部煤層回采巷道與上部采場殘余煤柱間的錯距。

3.2 上部采空區(qū)水影響

近距煤層群開采，煤層間距小，上部工作面、下部工作面易相互影響，上部工作面推采后，底板巖體雖未發(fā)生明顯破壞(圖4(a))，但覆巖變形、破化過程中伴生的礦壓會通過支架、煤柱(壁)、矸石向上部工作面底板巖體轉移，并在一定范圍內形成壓力集中區(qū)，對下部煤層回采巷道覆巖構成預破壞。下部煤層回采過程中，覆巖破壞會由下至上逐步延展，進而再次擾動巷道覆巖，使其發(fā)生二次疊加破壞，巖體破壞是內部原、次生裂隙充分發(fā)育的宏觀表現(xiàn)，巖體運移過程中會伴生新裂隙，并與原生裂隙垂向上發(fā)生擴展，從而貫通2#煤層采空區(qū)，而采空區(qū)極易積水，破斷裂隙演變?yōu)閷严?圖4(b))。

巷道松動圈測試結果表明，上部采空區(qū)積水下的巷道松動圈最大，分析可知，由于水體具有侵蝕等作用，下部煤層巷道圍巖結構會遭到破壞，強度明顯弱化，因此采空區(qū)水也是巷道穩(wěn)定性制約因素。

圖4 近距煤層群開采巖體破壞狀態(tài)Fig.4 Rock failure state of close seam group mining

3.3 同煤層臨近采場采動影響

煤層群下部煤層回采巷道圍巖易受上下采場雙重擾動作用，下部煤層同煤層臨近采場推采形成的頂壓，會在傳力介質作用下向工作面周邊圍巖中擴散，回采工作面巷道右?guī)透浇鼌^(qū)域的巖體中極易發(fā)生應力集中(圖5(a))，且該應力集中區(qū)域會與上部采場殘余煤柱底板巖層中應力分布區(qū)域在空間上重合，即上下采場應力發(fā)生疊加，增強應力集中區(qū)域應力強度，加劇擬布置巷道圍巖運移。

應力分布結果(圖5(b))表明，煤層群下部煤層臨近采場推采后，同煤層擬布置巷道圍巖承載曲線形態(tài)呈現(xiàn)為“S”狀。開采工作面巷道附近區(qū)域圍巖中應力集中，在1.01 m處達到較大3.29 MPa，而這與現(xiàn)場實測的4#煤層回采巷道幫部松動圈分布范圍較為接近，集中力作用會迫使開采工作面巷道幫部附近區(qū)域內的煤體發(fā)生運移破壞，致使距幫部2～5 m范圍內出現(xiàn)應力降低區(qū)域，隨著與上部殘余煤柱的應力集中區(qū)域的距離逐步減小，同煤層采場礦壓傳遞中會與上部采場殘余煤柱下方集中力發(fā)生疊加，使得應力值升高，且隨著距殘余煤柱距離的增大，應力值降低，臨近采場采動作用促使擬布置巷道圍巖承壓整體上具有“升高-降低-升高-降低”的分布特征，說明同煤層鄰近采場采動作用對于擬布置巷道圍巖穩(wěn)定性狀態(tài)也會產生影響，由此可知，下部煤層群回采巷道布置要同時兼顧與鄰近采場巷道、上部殘余煤柱距離。

圖5 臨近采場推采圍巖應力狀態(tài)Fig.5 Surrounding rock stress state of near stope mining

4 下部煤層回采巷道布置

由近距煤層群巷道布置影響因素分析可知，殘余煤柱承載、與煤柱垂直距離、與煤柱邊緣水平距離會直接決定下部煤層圍巖內任一位置承載狀態(tài)，特定地質條件下，與煤柱垂直距離視為定值，而下部煤層巷道與煤柱邊緣水平距離(巷道錯距)合理性設置則尤為重要，上部采場的采動應力在煤柱及其他傳載介質作用下會發(fā)生下移從而預破壞下部煤層覆巖，下部煤層采動應力會垂向及水平方向傳播，上部采場、下部采場采動應力的疊加作用會加劇覆巖的破壞，巖體中易形成導水裂隙，致使下部采場面臨采空區(qū)水威脅，而下部煤層頂板軟化系數(shù)較低，遇水軟化特性明顯，需要弱化采空區(qū)水的威脅也需合理設計巷道錯距，同煤層開采采動應力水平方向傳播過程中易在煤柱中形成集中應力區(qū)，并隨著傳播距離的增加應力值降低，下部煤層巷道布置也需合理設置同煤層巷道間距，因此，近距煤層群下部煤層回采巷道布置的關鍵是合理確定煤柱寬度X，近距煤層群下部煤層回采巷道布置時不僅要考慮上部工作面的采動作用，還要考慮同煤層臨近采場擾動作用，弱化上部采場影響需要確定擬布置巷道與2#煤層殘余煤柱錯距x(圖6)，而同煤層臨近采場作用則需確定單4#煤層開采狀態(tài)下的區(qū)段煤柱寬度x1，故近距煤層群巷道區(qū)段煤柱寬度的留設需要同時考慮x、x1，見式(1)。

X=x1+2x

(1)

近距煤層群下部煤層回采巷道易受上部采場底板集中力作用，為降低集中力的影響，關鍵是確定擬布置巷道位置與上部采場殘余煤柱合理的錯距x。在已知上部煤層與巷道之間垂直距離z情況下，可由表3確定x值。根據(jù)4#煤層地質資料，估算可知該煤層巖體平均強度約為35 MPa，且2#煤層、4#煤層平均層間距為10 m，因此下部煤層擬布置巷道與上部采場殘余煤柱錯距x為15 m。

圖6 下部煤層回采巷道擬布置位置示意Fig.6 Intended location of the lower coal seam roadway

表3 x值與z值及巖體強度對應關系Table 3 Corresponding relationship between x value and z value and rock mass strength

與2#煤層預留煤柱錯距x/mz/m10152030巖體強度/MPa<30--253030～6015152025>6010101215

僅4#煤層開采時，同煤層區(qū)段煤柱會受其兩側工作面采動作用影響，在靠近工作面巷道一定距離的煤柱中形成高壓作用區(qū)，從而迫使煤體發(fā)生塑性破壞形成塑性區(qū)(圖3)，而當留煤柱兩側產生塑性變形，可認為存在一個寬度等于煤柱高度2倍的彈性區(qū)域，因此需布置煤柱寬度x1可由式(2)計算。

x1=2x0+x彈

x彈=2m

(2)

式中：x0為塑性區(qū)寬度，m；x彈為彈性區(qū)寬度，m；m為采高，m。

塑性區(qū)寬度計算見式(3)。

(3)

式中：p1為支架對煤幫阻力，MPa；K為覆巖應力集中系數(shù)；φ為巖煤交界面內摩擦角，°；c0為巖煤交界面的黏聚力，MPa；λ為側壓比；γ為巖體容重，kN/m3；H為賦存深度，m。

根據(jù)4#煤層生產技術條件，確定煤柱寬度計算參數(shù)(表4)，將相關參數(shù)值分別代入式(2)和式(3)，計算可得僅4#煤層開采時，煤柱寬度x1為24.71 m。

表4 煤柱寬度計算參數(shù)Table 4 Calculation parameters of coal pillar width

將x、x1值代入式(1)，計算可得近距下部煤層回采巷道間應留置的煤柱寬度為54.71 m。

5 結 論

1) 近距煤層群下部回采巷道布置的主要影響因素為上部采場殘余煤柱承載、上部采空區(qū)水及同煤層采動作用。

2) 殘余煤柱承載形態(tài)呈現(xiàn)為馬鞍狀，煤柱附近底板巖層中易形成應力集中區(qū)，強度大，應力強度與距煤柱距離呈負相關性。

3) 下部煤層同煤層臨近采場采動促使圍巖承壓整體呈現(xiàn)出“升高-降低-升高-降低”分布特征，且上下采場采動作用易疊加，增強應力集中程度。

4) 近距下部煤層回采巷道布置的關鍵是合理設計區(qū)段煤柱寬度，需同時考慮與上部煤層殘余煤柱錯距及單煤層開采狀態(tài)下區(qū)段煤柱寬度。