厚煤層分岔區下分層回采巷道位置選擇

秦忠誠，聶 旺，劉永樂，張玉柏，劉利寧

(1. 山東科技大學 能源與礦業工程學院，山東 青島 266590； 2. 兗礦集團南屯煤礦，山東 鄒城 273515)

近年來煤炭的儲蓄量日益減少，采深逐漸增大，煤礦開采面臨的技術挑戰越來越大。煤炭開采過程中常見厚煤層分岔現象，上分層開采容易對分岔區夾矸層與下分層造成影響，使其發生一定程度的損壞，從而造成下分層內回采巷道的布置較為困難[1-4]。因此，有必要對分岔區下分層回采巷道的位置選擇進行研究。康官先等[5]利用數值模擬等手段對采空區下極近距離煤層回采巷道的布置進行了研究，指出回采巷道位置應遠離采空區下高應力區。孔德中等[6]采用理論分析等手段研究了近距離煤層的回采巷道布置，提出下位煤層回采巷道位置應該遵循避開壓力影響區的原則。劉家成[7]利用數值模擬和理論計算對厚煤層分層開采巷道的合理位置進行了研究，得出巷道布置應為內錯式且內錯距為8 m。張學亮[8]利用數值模擬和理論分析對厚煤層下分層巷道位置的布置進行了研究，得出下分層回采巷道錯距應為4 m。

以上研究成果對厚煤層回采巷道的位置選擇起到了重要的指導作用，但鮮有涉及厚煤層分岔條件下的下分層回采巷道位置選擇的研究，同時不同的采礦條件下，影響巷道布置的關鍵因素與巷道穩定性控制方法難以獲得統一結論。因此，借鑒眾多學者的研究成果[9-13]，針對厚煤層分岔區下分層的回采巷道位置選擇的問題展開研究。首先采用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)和MTS815.03電液伺服巖石試驗系統分別對夾矸頂板試樣的微觀結構和煤層的物理力學特征進行分析。然后采用FLAC3D對下分層不同的回采巷道位置下3上煤層殘余小煤柱的應力集中情況、巷道位移量和塑性區分布特征進行研究，從而確定下分層回采巷道的最優位置。最后，通過現場巷道位移監測對以上研究結果進行檢驗。

1 工程背景

某礦9采區主采3煤層為近水平煤層，煤層結構簡單，以亮煤為主，夾暗煤及鏡煤條帶，煤層普氏硬度f=2～3。3煤中間為發育不均勻厚度的夾矸，厚度1～13 m，夾矸主要為泥質膠結粉砂巖，裂隙發育。3上煤層已開采，3下煤層厚度3.81～3.16 m。3下煤層回采巷道的分岔區夾矸頂板受3上煤層采動的影響，夾矸整體穩定性差，所以3下煤層回采巷道位置的選擇非常困難。

2 夾矸層和3下煤層受采動影響破壞分析

2.1 夾矸的微觀結構與破壞特征

采用SEM研究了采場夾矸頂板巖樣的微觀形貌結構，樣品掃描結果如圖1所示。從試樣微孔結構看出，3下煤層夾矸頂板顆粒中含有微孔隙和微裂隙(最大孔隙尺寸為10 μm×20 μm)，圍巖裂隙比較發育，為不連續的塊裂狀。微孔隙和微裂隙的存在，為煤體的裂隙膨脹提供了基礎。

2.2 3下煤層夾矸頂板及煤層力學性能測試

煤樣取自9采區3下煤層12工作面(簡稱93下12工作面)，上、中、下各取3塊，共9塊。夾矸取自93下12工作面運輸巷設計停采線以上30 m，共15塊。煤巖樣采取后進行了必要的包裝和石蠟封裝以防風化，經實驗室切割后制成標準試件，進行MTS力學試驗，結果見表1。

表1 3下煤頂板巖石物理力學性能試驗結果表

3 3下煤層回采巷道布置方式選擇

受3上煤層采動影響，3煤層夾矸層裂隙較發育。因此，在布置夾矸下分層回采巷道時必須遵循以下原則：避開因3上殘留煤柱生成的支承壓力影響區；盡可能多回收煤炭資源。

圖2 下煤層回采巷道內錯布置示意圖

如圖2所示，采用內錯布置方式在3上煤層采空區下布置3下順槽，使之位于上煤層回采后的采空卸壓區內，同時可以采用留窄小煤柱沿空掘巷的方式減小區段煤柱的尺寸。

3.1 數值模型的建立

為了合理選擇3下煤層回采巷道的位置，同時為巷道的支護提供參考依據，使用FLAC3D對無支護條件下巷道的穩定性進行分析。建立數值模型如圖3所示，模型尺寸為：長×寬×高=310 m×40 m×60.5 m，夾矸厚度為10 m，各層物理力學參數如表2所示。模型東、西、南、北以及底部邊界固定法向位移，把原始的上部巖層重力施加到模型頂端，即γH=8.75 MPa(γ代表上覆巖層重量，H代表深度)。對模型中各巖層采用Mohr-Coulomb本構模型，并采用fill充填命令對采空區垮落的矸石賦相關模擬參數。模型從巖性、邊界條件等方面基本還原了現場采礦條件。首先開挖3上煤層回采巷道和工作面(留煤柱寬度為5 m)，平衡后對3下煤層回采巷道的6個布置方案進行對比分析，即巷道距離3上小煤柱中線的水平距離分別為0、10、20、30、40、50 m。3下煤層尚未開采，通過對比不同方案下3下煤層回采巷道掘進后圍巖的應力、位移和塑性區特征，確定巷道的最優位置。

圖3 數值模型

巖層 密度/(g·cm-3)抗拉強度/MPa剪切模量/GPa體積模量/GPa摩擦角/(°)內聚力/MPa中砂巖 2 5001.54.07253.0中細砂巖2 6002.03.06354.0煤層 1 4001.31.52200.8粉砂巖 2 5301.72.04303.0細砂巖 2 7002.75.08304.0

圖4 上煤層回采后垂直應力圖

3.2 3上煤層殘余小煤柱下應力分布規律分析

沿著3下煤層回采巷道的左幫(靠近煤柱側)監測垂直應力，監測結果見圖4。在距煤柱0～10 m內，垂直應力從25.44 MPa上升到26.10 MPa，其增長速度比較平緩；在距煤柱10～30 m內，垂直應力從26.10 MPa下降到18.28 MPa，下降速度較快；在距煤柱30～50 m內，垂直應力穩定在18.00 MPa左右。因此，從不同巷道布置位置下圍巖的應力集中情況對比得出，較為合理的煤柱寬度為30 m左右。

3.3 巷道變形分析

為分析回采巷道到小煤柱距離對回采巷道圍巖變形的影響，對6種情況下3下煤層回采巷道變形量進行統計對比，結果見表3和圖5。

表3 不同布置方式下3下煤層巷道圍巖變形量

圖5 巷道變形量曲線

由表3和圖5得知，無支護條件下巷道頂板和兩幫變形量較大，為400～700 mm。受3上小煤柱應力集中區的影響，巷道圍巖的變形量在不同布置方式下存在差異，但總體上表現出兩幫變形量高于頂板的特征，因此巷道支護的重要內容為控制幫部圍巖變形。隨著3下煤層巷道與3上煤層小煤柱水平間距的增加，巷道圍巖變形量逐漸變小。距離小煤柱0～30 m范圍內，巷道受小煤柱附近集中應力的影響較大，巷道圍巖變形曲線下降幅度比較大；當間距大于30 m時，巷道圍巖變形曲線變化幅度不大，位移量趨近穩定。位移監測結果表明，當巷道與3上煤層小煤柱水平間距在30 m時，采空區和殘余小煤柱對下煤層回采巷道圍巖變形影響不大。因此認為在間距約30 m處開掘巷道，可以有效減小圍巖變形量，利于巷道的穩定性控制。

3.4 塑性區分布情況分析

巷道圍巖塑性區的分布形式通常影響巷道的穩定性，不同的巷道布置形式下，3下煤層回采巷道圍巖塑性區分布如圖6所示。由于受到上覆采空區煤柱影響，3下煤層回采巷道頂板及兩幫多處于卸載和塑性狀態，由此導致巷道變形量的增大。

圖6 3下煤層回采巷道圍巖塑性區分布

從圖6(a)～6(b)得知，當回采巷道與3上小煤柱中心水平間距為0～10 m時，3下回采巷道位于3上小煤柱支撐壓力的影響范圍內，巷道圍巖承受較大的應力致使塑性區廣泛發育，巷道頂板產生貫通至3上煤層的塑性區，巷道底板完全破壞；當回采巷道與3上小煤柱間隔20 m時，巷道底板破壞范圍較大，呈現向3上煤層小煤柱發育的趨勢；當回采巷道與3上小煤柱間隔30 m時，巷道頂板及兩幫多處煤體處于塑性狀態；巷道塑性區范圍隨巷道與煤柱距離的增加而逐漸減小，圍巖的承載能力逐漸增強，巷道的穩定性升高。由圖6(e)～6(f)得知，當回采巷道與3上小煤柱間隔40～50 m時，巷道圍巖雖處于塑性狀態，圍巖塑性區僅在巷道兩幫及底板附近發育，但范圍相對較小，圍巖能夠自穩。

3上煤層回采完成后，殘余小煤柱下方一定范圍內存在應力集中區，綜合不同巷道布置方案下圍巖的應力、位移和塑性區的分析結果，3下煤層回采巷道與3上煤層小煤柱間隔不小于30 m時，圍巖可保持較好的穩定性。隨著回采巷道與3上煤層小煤柱距離的增加，則所留設3下煤層煤柱的尺寸增大，容易造成煤炭資源浪費。從經濟利益角度來看，為了盡可能多地回收煤炭資源，同時避開應力集中區域，增加巷道的穩定性，3下煤層回采巷道與3上煤層小煤柱中心的水平間距約為30 m時，可保證安全回采。

4 現場試驗與監測

數值模擬結果表明，在未支護條件下巷道幫部的位移量較大，因此在現場實際中著重加強了對巷道幫部的支護。當3下回采巷道與上部采空區煤柱間隔30 m時，巷道掘進期間的變形曲線如圖7所示。

圖7 巷道掘進期間變形曲線

實測結果表明，回采巷道掘進期間頂板下沉量不超過120 mm，兩幫變形量約為70 mm，其中兩幫變形量小于頂板下沉量，說明支護措施對巷道圍巖變形量起到了較好的控制作用。3下回采巷道巷與上部采空區煤柱間隔30 m布置時，巷道變形較小，能夠保持整體穩定，滿足工作面生產需要。

5 結論

采用掃描電鏡、力學試驗對厚煤層夾矸分岔區的巖性參數進行分析，進而采用數值模擬對分岔區下分層順槽的多種布置方案進行對比優選，所得結論如下：

1) 夾矸層和3下煤層受采動影響破壞分析結果表明，上煤層開采將對其底板產生一定程度的損壞，上煤層開采影響下3下煤層頂板縫隙較大，圍巖顆粒呈現不連續的塊裂狀。

2) 數值模擬結果表明，距3上煤層殘余煤柱10～30 m內，3下順槽垂直應力集中情況下降明顯，在30～50 m內，垂直應力保持穩定；當回采巷道與3上小煤柱間隔大于30 m時，塑性區范圍和巷道位移量較小，巷道自穩狀況良好；3下煤層回采巷道與3上煤層小煤柱中心的水平間距確定為30 m。

3) 工程應用表明，回采巷道與殘余小煤柱中心的水平間距為30 m時，巷道變形較小，能夠保持整體穩定，滿足工作面生產要求。