西銘礦極近距離煤層回采巷道布置方式分析

苑 杰

（山西西山煤電股份有限公司西銘礦，山西 太原 030052）

西銘礦采用下行式開采順序，南四采區(qū)下組煤8#煤層和9#煤層的層間距在1.3～4.9 m范圍內(nèi)，平均層間距僅為2.88 m，屬于極近距離煤層開采。由于上覆8#煤層的各個工作面已開采完畢，在開采其下方9#煤層時(shí)，9#煤層頂板圍巖的整體性、穩(wěn)定性已遭到破壞。因此9#煤層工作面回采巷道的圍巖活動將會劇烈、變形破壞大，巷道支護(hù)也將非常困難。

1 工程概況

49403 工作面位于西銘礦南四采區(qū)，其東、南、西、北四個方向分別與南四軌道巷相鄰、49405 工作面、尚未開采的南六采區(qū)、主運(yùn)輸皮帶巷相鄰。上覆8#煤層48403 工作面已回采，8#與9#煤的層間距范圍為1.3～4.9 m，平均2.88 m。9#煤層厚度范圍為2.07～3.20 m，平均2.75 m；煤層傾角范圍為2°～11°，平均5°。直接頂巖性為平均厚度2.68 m的細(xì)粒砂巖，基本頂巖性為平均厚度7.82 m的石灰?guī)r；直接底巖性為平均厚度0.95 m的砂質(zhì)泥巖，老底巖性為平均厚度2.21 m的中粒砂巖。工作面蓋山厚度為131～392 m，平均蓋山厚度261 m。

49403 工作面布置兩條回采巷道，其中軌道巷主要承擔(dān)進(jìn)料、進(jìn)風(fēng)的任務(wù)，皮帶巷主要承擔(dān)出煤、回風(fēng)的任務(wù)。綜合考慮目前9#煤層支護(hù)形式和機(jī)電設(shè)備尺寸，49403 工作面兩條回采巷道均為矩形斷面，巷道寬、高分別為4.0 m、2.4 m。

2 數(shù)值模擬

2.1 巖石力學(xué)參數(shù)

運(yùn)用巖石力學(xué)測試設(shè)備，對9#煤層及其頂?shù)装鍑鷰r的煤樣、巖樣進(jìn)行巖石力學(xué)測試，得到其體積模量、剪切模量、摩擦角、粘結(jié)力、抗拉強(qiáng)度等數(shù)值模擬建模所需巖石力學(xué)參數(shù)。49403 工作面頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 49403 工作面頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬方案

根據(jù)西銘礦南四采區(qū)8#煤層和9#煤層賦存情況，以及上覆8#煤層已回采的48403 工作面和其相鄰的48405 工作面、以及下部49403 工作面的實(shí)際工程地質(zhì)情況，建立數(shù)值模擬模型見圖1。

圖1 數(shù)值模擬模型

采用三種方案進(jìn)行數(shù)值模擬，以對比不同巷道布置條件下回采巷道圍巖變形破壞情況。

方案一：內(nèi)錯方式，內(nèi)錯距離為留設(shè)上下兩條巷道中心線之間距離為10 m的煤柱，實(shí)體煤煤柱寬度6 m。

方案二：內(nèi)錯方式，內(nèi)錯距離為留設(shè)上下兩條巷道中心線之間距離為7 m的煤柱，實(shí)體煤煤柱寬度3 m。

方案三：上下重疊方式，將49403 工作面的軌道巷布置在48403 工作面軌道巷的正下方。三個回采巷道數(shù)值模擬布置方案見圖2。

圖2 數(shù)值模擬方案

2.3 數(shù)值模擬分析

（1）開采8#煤層后對下方9#煤層圍巖影響分析

圖3 為開采8#煤層的48403、48405 工作面開采后垂直應(yīng)力分布情況。

圖3 垂直應(yīng)力分布情況

對圖3 進(jìn)行分析可以得出，在9#煤層上方8#煤層布置的48403、48405 工作面回采后，在鉛垂方向上其所形成的采空區(qū)上、下部均出現(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)域，兩個工作面之間所留設(shè)的煤柱具有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，并且在鉛垂方向上其應(yīng)力也逐漸向下方9#煤擴(kuò)展。若將9#煤層工作面回采巷道布置于應(yīng)力增大區(qū)域，其圍巖變形將會非常劇烈，不利于巷道支護(hù)工作。因此，方案三采用重疊布置不利于軌道巷的維護(hù)，首先排除方案三。

（2）掘巷期間數(shù)值模擬分析

圖4、圖5 為在8#煤層開采后，其殘留應(yīng)力影響軌道巷，在掘巷期間的垂直應(yīng)力分布、塑性破壞分布圖。

圖4 垂直應(yīng)力分布

圖5 塑性破壞分布

對圖4、圖5 進(jìn)行分析可以得出，在方案一條件下，軌道巷可完全位于上部8#煤層回采后形成采空區(qū)應(yīng)力降低區(qū)域中，其所受垂直應(yīng)力可保持在2 MPa的低水平范圍內(nèi)，并且其所出現(xiàn)的塑形破壞程度也比較小，軌道巷只是在靠煤柱一側(cè)的側(cè)幫和頂板發(fā)生小范圍低程度的塑性變形。在方案二條件下，軌道巷可基本位于上部8#煤層回采后形成采空區(qū)應(yīng)力降低區(qū)域中，其所受垂直應(yīng)力可保持在2～4 MPa的較低水平范圍內(nèi)，并且其所出現(xiàn)的塑形破壞程度也不算大，軌道巷的頂板發(fā)生范圍為0.5 m的塑性變形。相比較而言，在方案一條件下，軌道巷所受8#開采后的殘留應(yīng)力比方案二更小；但是，就數(shù)值模擬結(jié)果來看，方案二也可以滿足回采巷道正常的使用和維護(hù)，并且所留煤柱更小，利于實(shí)現(xiàn)更大經(jīng)濟(jì)技術(shù)價(jià)值。綜上所述，采用方案二的內(nèi)錯布置方式，即內(nèi)錯距離為中對中7 m煤柱、實(shí)體內(nèi)錯煤柱為3 m。

3 巷道支護(hù)

在留設(shè)內(nèi)錯距離為中對中7 m煤柱條件下，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，軌道巷擬采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)的方式。支護(hù)主要參數(shù)選擇如下：巷道頂板和兩幫的錨桿均采用規(guī)格為Φ22 mm×1.8 m，頂錨桿的間距為0.85 mm，頂錨桿的排距為1.1 m；幫錨桿的間距為1.2 m，幫錨桿的排距1.1 m。錨索采用規(guī)格為Φ17.8 mm×5.3 m，在巷道垂直方向上沿頂板正中打設(shè)錨索一根，相鄰兩排錨索相距3.3 m。

4 結(jié)語

采用巖石力學(xué)測試、數(shù)值模擬的方式，在西銘礦下組煤極近距離開采條件下，對9#煤層回采巷道的不同布置方式進(jìn)行對比分析；最終采用內(nèi)錯距離為中對中7 m煤柱的內(nèi)錯布置方式，實(shí)體內(nèi)錯煤柱為3 m，最為科學(xué)合理；與內(nèi)錯距離為中對中10 m煤柱方案相比較，可多出煤量近1 萬噸，多創(chuàng)收近400萬元；軌道巷擬采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方式，有利于主動支護(hù)方式預(yù)緊力的發(fā)揮及其擴(kuò)散效果，從而確保回采巷道的安全使用，同時(shí)減少巷道維護(hù)工作量。