近距離煤層復合型頂板下巷道布置方案分析

張 卓

(山西焦煤集團有限責任公司 杜兒坪煤礦， 山西 太原 030022)

杜兒坪煤礦位于山西省太原市，1956年建礦，井田南北寬約6 km，東西長約10 km，面積為68.180 4 km2. 礦井主要可采煤層為6層，即2#、3#、6#、7#、8#、9#煤層，總厚度16.37 m，煤種為貧煤、瘦煤和貧瘦煤。由于礦井2#和3#煤層層間距較小,為4.3 m；3#煤層頂板下部巖層強度低、撓度比上部巖層大，采后大量離層，屬復合型頂板；煤層群開采相互影響十分明顯。為較大程度降低南九盤區3#煤層在回采期間的巷道圍巖壓力，需要對該盤區73903工作面軌道巷開展巷道布置方案的研究，并通過圍巖應力分析選擇科學的巷道掘送位置。本文分別對上部2#煤層回采后底板、3#煤層頂幫、3種巷道布置方案進行了圍巖應力研究，從技術角度選取科學方案布置以達到降本增效的目的。

1 73903工作面概況

73903工作面軌道巷位于杜兒坪煤礦南九盤區，巷道位于3#煤層，73903工作面北鄰南九盤區3#煤皮帶巷，東鄰73902工作面(已采)，西鄰73904工作面(未采)；上部為72903、72904工作面，現已回采完畢。工作面地面標高1 415～1 580 m；蓋山厚度349～534 m，平均埋藏深度449 m. 73903工作面巷道布置圖見圖1， 圖2.

圖1 73903工作面巷道平面布置圖

圖2 73903工作面巷道剖面布置圖

礦井南九盤區賦存的2#和3#煤層為近距離煤層，73903軌道巷(3#煤層)布置位于上部72904工作面(2#煤層)采空區下方，73903皮帶巷(3#煤層)位于上部72903工作面(2#煤層)采空區下方。73903工作面巷道決定沿3#煤層頂板掘進，全長1 036 m.

2 3#煤層復合型頂板賦存特征

南九盤區73903工作面軌道巷沿3#煤層頂板布置，該煤層厚度為2.6～3.7 m，平均厚度3.22 m，距頂0.7 m左右含一層0.3 m左右的夾石(巖性為砂質泥巖)，煤層傾角1°～8°，平均4°；3號煤層上方偽頂為泥巖，厚度為0.8～2.1 m，平均厚度1.5 m，灰黑色，質較純，水平層理發育；直接頂為細粒砂巖，厚度為1.3～3.28 m，平均厚度2.1 m，灰白色，以石英長石為主，暗色礦物次之；頂部有一層0.47～1.31 m砂質泥巖，含植物化石，平均厚度0.7 m；再往上是2號煤層，厚度為3.55～3.66 m，平均厚度3.6 m.

3#煤層直接底為砂質泥巖，厚度為5.47～5.71 m，平均厚度5.6 m，灰黑色，上部含砂質較多，含植物化石，層面有滑感；直接底往下為粗粒砂巖，厚度為6.2～11.34 m，平均厚度8.6 m，灰色，以石英長石為主，暗色礦物次之，分選差，含巖屑，膠結疏松，塊狀構造。

根據復合頂板一般具有的特征，即：煤層頂板是由上“硬”下“軟”的不同巖性巖層組成；兩個“軟、硬”巖層間夾有煤線或薄層軟弱巖層；下部軟巖層厚度一般在0.5～3 m[1]. 從南九盤區3#煤層73903工作面柱狀圖(圖3)可以看出，3#煤層頂板以0.3 m夾石、1.5 m泥巖、2.1 m細粒砂巖和0.7 m的砂質泥巖為主，距上部2#煤層層間距離約為4.3 m，屬于典型的復合型頂板，因此受上部2#煤層開采影響較為明顯。

3 3#煤層圍巖應力分析

3.1 3#煤層復合型頂板垂直應力分析

在近距離煤層群開采過程中，由于上下部煤層的賦存條件和頂底板巖性差異，當上部煤層回采后，決定下部煤層圍巖應力大小的關鍵是兩個煤層的層間距。若煤層層間距較大，則下部煤層受到上部煤層的圍巖應力就小，回采過程中巷道變形及工作面帶壓程度相對較弱；反之則圍巖應力較強，巷道掘送、工作面回采、頂板與圍巖控制較困難。 此外，若下部煤層為復合型頂板，頂板在受壓后產生的變形、離層、漏冒隱患也將增大，承壓力將大幅減弱[2-3].

杜兒坪煤礦南九盤區2#、3#煤層是典型的近距離復合型頂板煤層， 當上部2#煤層回采后，下部3#煤層受到的圍巖應力將大幅提升。特別是當兩個煤層層間距逐步減小，2#煤層在回采過程中對3#煤層頂板的破壞就會逐步增大，同時受2#煤層內采空區矸石充填和區段煤柱的集中壓力顯現，3#煤層頂板的圍巖應力將重新分布并達到新的平衡，這期間要經歷“承壓、釋放壓力、壓力穩定”3個階段，3#煤層的頂板結構和圍巖應力環境也將發生大幅度改變。

3#煤層頂板深度圍巖垂直應力分布圖見圖4. 由圖4可知，當上部2#煤層開采后， 3#煤層頂板受到的垂直應力影響十分明顯，頂板垂直應力明顯高于原巖應力，呈現“馬鞍型”分布，即中間低兩邊高。隨著兩個煤層層間距逐步減小，3#煤層頂板垂直應力距原巖應力越來越遠、集中程度越來越小、應力峰值越來越大，應力峰值將趨向于“拱形”。經計算,南九盤區3#煤層頂板深度在4.3 m，此時巖層垂直應力最大值為21.8 MPa，說明該盤區3#煤層復合型頂板承受垂直應力較大。

圖3 73903工作面鉆孔柱狀圖

圖4 3#煤層頂板深度圍巖垂直應力分布圖

3.2 3#煤層圍巖應力分析

對南九盤區3#煤層頂板和巷幫煤巖體的原位強度測試可知，3#煤層頂板砂質泥巖的平均單軸抗壓強度為32.46 MPa、細砂巖的平均單軸抗壓強度為67.89 MPa. 3#煤層煤體強度為10～22 MPa，平均單軸抗壓強度為13.65 MPa. 此外，3#煤層最大水平主應力為13.67 MPa、最小水平主應力為6.94 MPa、頂板垂直應力最大值為 21.8 MPa.

根據應力場相關判斷標準：大于30 MPa為超高應力區、18～30 MPa為高應力區、10～18 MPa為中等應力區、0～10 MPa為低應力區。南九盤區3#煤層地應力場屬于高應力場，地應力整體數值量較高，作用在3#煤層的地應力場強度較強。此外，3#煤層煤體的單軸抗壓強度和水平主應力，遠遠低于上部煤層產生垂直應力，因此平均厚度4.3 m的3#煤層頂板受到的巖層垂直應力是影響巷道布置的關鍵。

4 73903工作面軌道巷布置方案

4.1 3種巷道布置方案

根據南九盤區上、下部煤層的圍巖應力分析，設計了3種不同巷道布置方案：方案一內錯布置，73903軌道巷內錯72903尾巷13 m，位于72904工作面采空區下方；方案二重疊布置，73903軌道巷布置在72903尾巷下方；方案三外錯布置，73903軌道巷外錯72903尾巷15 m，位于上部72903正巷和72903尾巷間煤柱正下方。73903工作面軌道巷布置方案見圖5.

4.2 3種巷道布置方案圍巖應力分析

方案一：73903軌道巷布置在內錯72903尾巷13 m，位于72904工作面采空區下方時，巷道巖層垂直應力值處于原巖應力值以下，屬于巖層垂直應力的降低區域，數值低于5 MPa，受到的巖層垂直應力最小。方案二：73903軌道巷布置在72903尾巷下方時，巷道巖層垂直應力值仍處于原巖應力以上，數值在2～17 MPa，平均10 MPa，此時受到的巖層垂直應力仍然較小，屬于低應力區。方案三：73903軌道巷布置在外錯72903尾巷15 m，位于上部72903正巷和72903尾巷間煤柱正下方時，巖層垂直應力最高，數值處于20～25 MPa，為高應力區；此時巖層垂直應力集中顯現，與兩個煤層層間距較近、復合型頂板、上部煤柱壓力承載大等因素有關。因此，在此種方案施工下，73903軌道巷開掘后巷道圍巖破壞嚴重。不同布置方式下圍巖應力對比見圖6.

圖5 73903工作面軌道巷布置方案圖

圖6 不同布置方式下圍巖應力對比圖

對比方案一和方案二可以明顯看出,采用方案二時，巷道巖層垂直應力陡然增加，尤其是巷道左幫，垂直應力峰值超過了15 MPa；而采用方案一時，巖層垂直應力低于5 MPa. 不僅如此，采用方案二，巷道左右兩幫受力不均衡，表現為巷道左幫應力明顯高于巷道右幫，巷道左幫垂直應力大于右幫約10～15 MPa，巷道左右幫應力分布不均、受力不均衡，不利于巷道的使用。

5 結 論

1) 對于近距離煤層群開采，兩個煤層層間距的大小是決定下部煤層圍巖應力大小的關鍵。若煤層層間距較小，則下部煤層受到上部煤層的圍巖應力就大，回采過程中巷道變形及工作面帶壓程度相對較強。

2) 復合型頂板下煤層易受到來自頂板受壓后變形、離層、漏冒的影響，在布置巷道時應選擇巖層垂直應力較低的區域，并做好煤體的原位強度測試，為測算提供理論數據支持。

3) 通過南九盤區73903工作面軌道巷3種布置方案的對比分析，當73903軌道巷采用內錯72903尾巷13 m，位于72904工作面采空區下方布置時，巷道處于3#煤層頂板垂直應力的降低區，巷道所受到圍巖應力較小，有利于后期巷道的維護和使用。