近距離煤層采空區(qū)下動壓回采巷道合理布置研究

李世勇

（陜西華電榆橫煤電有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719000）

近距離煤層群開采方式分為上行開采和下行開采兩種。上行開采主要是針對下部煤層開采后上部煤層的變形和破壞特征、下部煤層開采對上部煤層的采動影響空間關(guān)系等的研究。而下行開采方式中上部煤層開采對下部煤層開采會造成很大的影響，采動影響和圍巖應(yīng)力與單一煤層開采有相似之處但也有很大的不同，下部煤層回采巷道難以維護，對于回采巷道的合理布置位置和巷道支護技術(shù)至關(guān)重要。

29205工作面回采巷道受到上覆8#煤采空區(qū)的影響，同時，29205工作面的回采巷道掘進期間，上區(qū)段29204工作面進行回采，圍巖活動頻繁，礦山壓力顯現(xiàn)比較顯著，兩種因素相互疊加，造成29205工作面的開采條件十分復(fù)雜。因此針對上覆煤層采空區(qū)和上區(qū)段工作面動壓雙重因素影響下，研究29205工作面回采巷道合理位置以及巷道支護參數(shù)，保障29205工作面順利回采，具有重要意義。

1 工程概況

29205工作面正巷主要擔(dān)任出煤回風(fēng)的任務(wù)，該巷道沿9#煤層頂板布置。9#煤層厚度在1.8m～2.38m之間，平均厚度為2.2m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含矸1層，厚度在0.1m左右。29205工作面煤層整體傾向西南，傾角2～7°，一般為3°。9#煤層直接頂是厚度為0.22～0.5m的泥巖，薄層狀，隨掘隨冒；直接頂上方是平均厚度為4.33m的砂質(zhì)泥巖；砂質(zhì)泥巖上方是3.86m的細粒砂巖，細粒砂巖上方是平均厚度為4.05m的8#煤層；8#煤層上方是3.86m的石灰?guī)r和5.29m的砂質(zhì)泥巖。目前北二采區(qū)8#煤和9#煤層平均的層間距大約為7.4m左右。9#煤直接底為2.17m的砂質(zhì)泥巖；砂質(zhì)泥巖下方是3.10m的細砂巖；細砂巖下方是1.89m的炭質(zhì)泥巖；炭質(zhì)泥巖下方是3.35m的粉砂巖。考慮到掘進過程中設(shè)備尺寸，通風(fēng)要求和巷道圍巖變形預(yù)留量，設(shè)計北二采區(qū)29205工作面正巷掘進斷面尺寸：矩形巷道斷面，寬4.0m，高2.4m，掘進斷面積9.6m2。

2 巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測試

1）圍巖結(jié)構(gòu)觀測。采用全景鉆孔窺視儀對9#煤層頂板進行圍巖結(jié)構(gòu)觀測，結(jié)果顯示，鉆孔0-3.1m為泥巖，巖層呈深灰色，泥質(zhì)膠結(jié)，巖石較為松軟，強度低，開孔0-0.9m處破碎嚴重。3.1-4.8m為砂質(zhì)泥巖，灰黑色，該段較為完整。4.8-5.2m為煤線，黑色，煤體軟弱。5.2-7.8m為泥質(zhì)砂巖，巖層呈灰白色，砂質(zhì)膠結(jié)，該段孔壁裂隙發(fā)育，其中5.8m、6.3 m、6.9m裂隙明顯，6.4-7.8m破碎。7.8-12.1m為8#煤，該段煤體松軟裂隙發(fā)育，完整性差。12.1-16.9m為石灰?guī)r，巖層呈灰黑色，致密堅硬，該段有少量微裂隙。16.9-21.4m為細砂巖，呈深灰色，砂質(zhì)膠結(jié)，巖層完整。

2）圍巖強度特征。利用圍巖強度測試裝置對9#煤及頂板以上10m范圍內(nèi)的煤巖體進行原位強度測試，結(jié)果顯示，9#煤煤體的平均抗壓強度為11.13MPa；9#煤頂板0-3.1m為泥巖，平均抗壓強度為33.88MPa；3.1-4.8m為砂質(zhì)泥巖，平均抗壓強度為33.62MPa；4.8-5.2m為小煤，平均抗壓強度為14.35MPa；5.2-7.8m為泥質(zhì)砂巖，平均抗壓強度為42.06MPa；7.8-10m為8#煤，煤體平均抗壓強度為13.41MPa。

3）應(yīng)力場特征。地應(yīng)力測量結(jié)果表明，西曲煤礦9#煤測站最大水平主應(yīng)力為10.6MPa，最小水平主應(yīng)力為5.63MPa，垂直應(yīng)力為3.3MPa，屬于低應(yīng)力區(qū)，最大水平主應(yīng)力方向為N47.7°E。

圖1 數(shù)值模型圖

3 巷道位置布置數(shù)值模擬

3.1 模擬方案

根據(jù)礦井實際工程地質(zhì)狀況建立如圖1所示數(shù)值模型圖。綜合分析，決定采用三種不同設(shè)計方案進行對比分析。

方案具體內(nèi)容如下：方案一采用內(nèi)錯布置，內(nèi)錯距離為中對中10m煤柱，實體煤柱為6m，如圖2（a）所示。方案二采用內(nèi)錯布置，內(nèi)錯距離為中對中7m煤柱，實體煤柱為3m，如圖2（b）所示。方案三采用重疊布置，將29205工作面正巷布置在28205工作面正巷的正下方，如圖2（c）所示。

圖2 數(shù)值模擬方案

通過采用上述三種不同方案進行綜合對比，模擬29205正巷采用不同布置方式及不同內(nèi)錯距離條件下，巷道圍巖變形特征及應(yīng)力分布規(guī)律，掌握29205正巷巷道受力特征，為選擇巷道合理內(nèi)錯距離以及合理的支護形式與參數(shù)提供依據(jù)。

3.2 模擬結(jié)果分析

1）8#煤層開采對9#煤層的影響。

圖3 垂直應(yīng)力場

如圖3圍巖垂直應(yīng)力場所示，當(dāng)上部8#煤層28205工作面和28204工作面回采之后，在8#煤層采空區(qū)的上方和下方均出現(xiàn)了垂直應(yīng)力降低區(qū)，此時將9#煤層工作面布置在應(yīng)力降低區(qū)對巷道受力和維護是十分有利的。但是，在8#煤層保護煤柱上垂直應(yīng)力發(fā)生明顯的應(yīng)力集中效應(yīng)，同時垂直應(yīng)力也向下擴展延伸，對9#煤層產(chǎn)生較大的影響，如果將9#煤層巷道布置在垂直應(yīng)力增高區(qū)，此時下部煤層巷道受上部巷道垂直應(yīng)力的影響，巷道圍巖變形和破壞將十分嚴重，巷道的維護十分困難。

圖4顯示的是8#煤層工作面回采后圍巖塑性破壞分布情況，可以看出上覆8#煤層回采之后，采場和煤柱圍巖發(fā)生了大規(guī)模的破壞，值得注意的是在8#煤層保護煤柱的下方煤體竟也發(fā)生了一定程度的塑性變形區(qū)（黑色方框中的部分），這是由于高煤柱應(yīng)力作用下造成的，而該區(qū)域正好位于采用重疊布置時巷道的空間位置，顯然后續(xù)9#煤層巷道布置應(yīng)該避開此區(qū)域。因此，不建議29205工作面正巷采用重疊布置方案。

圖4 圍巖塑性破壞分布

2）29205正巷掘進期間巷道變形及破壞分析。

如圖5是29205正巷在掘進后受到8#煤殘留煤柱影響下圍巖垂直應(yīng)力場分布情況，圖6是29205正巷掘進后圍巖塑性破壞區(qū)分布情況。

圖5 圍巖垂直應(yīng)力場分布

當(dāng)29025正巷采用方案一，即采用內(nèi)錯10m布置時，此時巷道全部處于上覆8#煤層采空區(qū)的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，巷道所受到垂直應(yīng)力很小，基本維持在2MPa以內(nèi)，并且此時巷道圍巖塑性破壞區(qū)也很小，僅僅在頂板邊角和右?guī)陀芯植堪l(fā)生塑性破壞，但破壞程度較小。

圖6 正巷掘進圍巖塑性破壞區(qū)分布

當(dāng)29025正巷采用方案二，即采用內(nèi)錯7m布置時，此時巷道圍巖垂直應(yīng)力在2～4MPa范圍內(nèi)，這是由于采用方案二煤柱尺寸有所減小造成的。從巷道圍巖的塑性變形情況來看，此時巷道在頂板上方有一定產(chǎn)生一定范圍的塑性破壞，破壞深度大約頂板深度的0.5m范圍內(nèi)，相比較方案一也有了一定程度的增加。但是總體來說，方案二巷道圍巖的應(yīng)力環(huán)境也較利于巷道的穩(wěn)定和維護。

3）29204工作面回采動壓影響分析。

圖7 方案一回采前后正巷垂直應(yīng)力場分布

圖8 方案二回采前后正巷垂直應(yīng)力場分布

如圖7所示，采用方案一時，29205正巷在29204工作面回采前后圍巖垂直應(yīng)力場差異很小，說明在此種條件小，29204工作面回采對29205正巷的動壓影響較小。如圖8所示，采用方案二時，29204工作面回采后29205正巷的垂直應(yīng)力分布相對回采之前發(fā)生一定的變化，首先是垂直應(yīng)力的峰值有所增加，從回采之前的 2～4MPa，增加至 2～8MPa，應(yīng)力場峰值增大的同時分布也有所改變，可以看出，回采之后29205正巷靠近煤柱幫的巷道應(yīng)力遠高于左幫，且分布不均，靠近右小角的位置應(yīng)力較為集中，也是未來巷道支護的重點。

4 圍巖控制分析

經(jīng)上述數(shù)值模擬分析，特對方案一和方案二進行巷道支護設(shè)計，從支護成本消耗和圍巖控制效果方面綜合對比分析。

表1 方案一內(nèi)錯10m時支護所需費用

表2 方案二內(nèi)錯7m時支護所需費用

通過表1、表2分析對比，可以看出，采用方案二內(nèi)錯7m時29205工作面的正巷一次材料消耗的費用為975.51元/m，相比較方案一的材料成本為954.96元/m，支護成本增加了20.55元/m。這主要是方案一的支護方案頂板未采用鋪設(shè)菱形網(wǎng)，方案二增加了鋪設(shè)菱形網(wǎng)導(dǎo)致費用有所增大。

同時方案二巷道支護排距由方案一的1m增大為1.1m，支護密度減小，通過加大了錨桿錨索預(yù)應(yīng)力以及擴散效果，在保證巷道安全的前提下，提高了巷道掘進速度。方案二采用內(nèi)錯7m布置，比方案一可多采3m煤柱，整個工作面可多采出原煤9000t，可提高煤炭資源采出率，經(jīng)濟效益突出。

綜合分析圍巖應(yīng)力分布、巷道變形破壞特征、支護成本、煤炭采出率等因素，確定29205正巷采用方案二內(nèi)錯7m布置方式。

5 結(jié) 論

1）通過圍巖地質(zhì)力學(xué)測試和數(shù)值模擬方法，綜合考慮29205巷道圍巖應(yīng)力分布、變形破壞特征、支護成本以及提高煤炭采出率等，確定29205正巷采用方案二內(nèi)錯7m布置于8#煤采空區(qū)下方。

2）29205正巷頂板采用錨網(wǎng)索支護，錨桿規(guī)格Φ22mm×1800mm，間排距850mm×1100mm，錨索規(guī)格Φ17.8mm×5300mm，排距3300mm；兩幫錨桿間排距1200mm×1100mm。該支護方式增大了錨桿錨索預(yù)應(yīng)力以及擴散效果，保障了巷道安全掘進。

3）內(nèi)錯7m布置可減少煤柱尺寸3m，多采出煤炭約9000t，創(chuàng)造經(jīng)濟效益約300萬元。