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，南四采區下組煤8#煤層和9#煤層的層間距在1.3～4.9 m范圍內，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，9#煤層頂板圍巖的整體性、穩定性已遭到破壞。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，巷道支護也將非常困難。

1 工程概況

49403 工作面位于西銘礦南四采區，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、主運輸皮帶巷相鄰。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的細粒砂巖，基本頂巖性為平均厚度7.82 m的石灰巖；直接底巖性為平均厚度0.95 m的砂質泥巖，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進料、進風的任務，皮帶巷主要承擔出煤、回風的任務。綜合考慮目前9#煤層支護形式和機電設備尺寸，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 數值模擬

2.1 巖石力學參數

運用巖石力學測試設備，對9#煤層及其頂底板圍巖的煤樣、巖樣進行巖石力學測試，得到其體積模量、剪切模量、摩擦角、粘結力、抗拉強度等數值模擬建模所需巖石力學參數。49403 工作面頂底板巖石力學參數見表1。

表1 49403 工作面頂底板巖石力學參數

2.2 數值模擬方案

根據西銘礦南四采區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 工作面的實際工程地質情況，建立數值模擬模型見圖1。

圖1 數值模擬模型

采用三種方案進行數值模擬，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：內錯方式，內錯距離為留設上下兩條巷道中心線之間距離為10 m的煤柱，實體煤煤柱寬度6 m。

方案二：內錯方式，內錯距離為留設上下兩條巷道中心線之間距離為7 m的煤柱，實體煤煤柱寬度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。三個回采巷道數值模擬布置方案見圖2。

圖2 數值模擬方案

2.3 數值模擬分析

（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力分布情況。

圖3 垂直應力分布情況

對圖3 進行分析可以得出，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上、下部均出現應力降低區域，兩個工作面之間所留設的煤柱具有明顯的應力集中現象，并且在鉛垂方向上其應力也逐漸向下方9#煤擴展。若將9#煤層工作面回采巷道布置于應力增大區域，其圍巖變形將會非常劇烈，不利于巷道支護工作。因此，方案三采用重疊布置不利于軌道巷的維護，首先排除方案三。

（2）掘巷期間數值模擬分析

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

圖4 垂直應力分布

圖5 塑性破壞分布

對圖4、圖5 進行分析可以得出，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應力降低區域中，其所受垂直應力可保持在2 MPa的低水平范圍內，并且其所出現的塑形破壞程度也比較小，軌道巷只是在靠煤柱一側的側幫和頂板發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應力降低區域中，其所受垂直應力可保持在2～4 MPa的較低水平范圍內，并且其所出現的塑形破壞程度也不算大，軌道巷的頂板發生范圍為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#開采后的殘留應力比方案二更小；但是，就數值模擬結果來看，方案二也可以滿足回采巷道正常的使用和維護，并且所留煤柱更小，利于實現更大經濟技術價值。綜上所述，采用方案二的內錯布置方式，即內錯距離為中對中7 m煤柱、實體內錯煤柱為3 m。

3 巷道支護

在留設內錯距離為中對中7 m煤柱條件下，根據以往經驗，軌道巷擬采用錨網索聯合支護的方式。支護主要參數選擇如下：巷道頂板和兩幫的錨桿均采用規格為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。錨索采用規格為Φ17.8 mm×5.3 m，在巷道垂直方向上沿頂板正中打設錨索一根，相鄰兩排錨索相距3.3 m。

4 結語

采用巖石力學測試、數值模擬的方式，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行對比分析；最終采用內錯距離為中對中7 m煤柱的內錯布置方式，實體內錯煤柱為3 m，最為科學合理；與內錯距離為中對中10 m煤柱方案相比較，可多出煤量近1 萬噸，多創收近400萬元；軌道巷擬采用錨網索聯合支護方式，有利于主動支護方式預緊力的發揮及其擴散效果，從而確保回采巷道的安全使用，同時減少巷道維護工作量。