近距離煤層群采空區下回采巷道合理布置研究

韓帥杰

（北京天地華泰礦業管理股份有限公司，北京 100013）

0 引 言

在我國，各大礦區都存在近距離煤層群開采。在近距離煤層群開采過程中，受上位煤層殘留煤柱的影響，下位煤層的采場圍巖穩定性遭到一定程度的破壞，且下位煤層回采也會形成礦壓，加劇下位煤層采場圍巖的破壞，使下位煤層開采工作面易發生災害。因此，安全有效地布置下位煤層回采巷道是確保工作面安全高效開采的關鍵，促進煤炭企業的可持續發展具有重要的意義。

學者們進行了大量的理論研究與工程實踐。王俊杰[1]針對近距離煤層群開采的地質條件，研究上煤層開采對下煤層的破壞程度的分析與下煤層巷道回采方式，結合現場觀測數據及相關理論，提出了“錨網+工字鋼”新支護方式，為近距離煤層群下位煤層回采巷道布置及支護提供了新方法。商和福[2]針對近距離煤層不規則遺留煤柱下回采巷道穩定性差、支護困難等問題，采用FLAC3D軟件模擬研究了上下煤層工作面回采后不規則煤柱下巷道垂直應力變化規律。任仲久[3]針對殘留煤柱下煤層開采出現的下位煤層回采巷道合理布置，分析了近距離煤層開采殘留煤柱的底板破壞范圍，利用土力學的太沙基理論計算了殘留煤柱下底板破壞范圍，利用數值模擬研究了殘留煤柱作用下外錯5 m 布置回采巷道的應力場與塑性區分布情況，最終驗證了回采巷道外錯5 m 布置的合理性。孔德中[4]針對近距離煤層開采下部煤層回采巷道布置這一難題，對上位煤層開采后造成的底板破壞深度、殘留煤柱在底板的應力分布以及巷道在非均布載荷下易于破壞的原因進行研究。

綜上，眾多學者對近距煤層群下位煤層回采巷道礦壓顯現規律，巷道合理間距，巷道圍巖失穩機理

及控制技術等不同角度進行了大量有益研究，取得了系列性成果。本文以甘溝為工程背景，研究上位煤層開采對下位煤層的影響，通過對比分析不同的巷道布置方式，內錯、垂直、外錯布置時巷道的適用條件，確定了巷道的合理布置方式，對采空區下采面錯距與回采巷道布置進行了研究。

1 工程概況

本文以甘溝為工程背景，礦區面積11.8 km2，礦井采用多水平單采區雙翼開采，反斜井開拓。本礦井范圍內主要的可采煤層為3 層，分別為B2，B3，B4-2。B4-2 煤層的平均可采厚度為3.13 m；B3 煤層平均可采厚度為3.82 m；B2 號煤層平均可采厚度為4.69 m。礦井煤層傾角平均14°。如圖1 為甘溝綜合柱狀圖。

圖1 甘溝綜合柱狀圖

2 上位煤層開采對下位煤層的影響分析

B4-2 煤層開采后，頂板發生破斷，上覆巖層下沉，導致其應力環境產生變化，使得其底板的應力環境發生改變，造成底板巖體裂隙增加，甚至產生損傷破壞，使得底板巖體的力學性能下降，煤層開采直接影響到了B3 煤層開采過程中的頂板破斷特征。因此，了解B4-2 煤層開采后對底板損傷破壞深度的情況，對B3 煤層回采巷道合理布置具有重要意義。根據煤層開采后底板巖體破壞滑移線理論可知[5-6]，B4-2 煤層底板破壞滑移線場如圖2 所示。

圖2 底板破壞滑移線場

根據B4-2 煤層開采后底板巖體破壞特征分析，利用底板破壞滑移線場，通過滑移線理論的計算公式，得出B4-2 煤層底板巖體最大破壞深度hδ：

式中：M為B4-2 煤層的開采高度；H為煤層的開采深度；K1為煤層底板的應力集中系數，取2.0；γ為上覆巖層的平均容重；Cm為B4-2 煤層的內聚力；φ為B4-2 煤層的內摩擦角；φf為底板巖層的內摩擦角；f為摩擦系數；ξ為三軸應力系數，利用此公式計算得到：

根據本礦井的地質條件與開采方式，相關數據為：煤層埋深H=200 m，上覆巖層的巖石的容重γ= 25 kN/m3，B4-2 煤層的內摩擦角= 30°，B4-2煤層的開采高度M=3.13 m，煤層底板巖層的內摩擦角φf=35°，由上述計算結果可知，B4-2 煤開采造成底板最大破壞深度為18.7 m，遠大于B4-2 煤層與B3 煤層的層間距。因此，B3 煤層開采的回采巷道布置要考慮B4-2 煤層殘留煤柱造成的應力集中現象與塑性破壞情況的影響。

3 近距離煤層回采巷道合理布置

3.1 下位回采巷道布置方式

近距離煤層回采巷道布置方式主要有3 種，分別是重疊式布置、外錯式布置和內錯式布置，以下是近距離煤層回采巷道布置方式的優缺點[7-9]。

內錯式布置優點：可使下位煤層巷道位于卸壓帶內，有利于下位煤層巷道頂板圍巖的支護與控制；缺點：造成煤層的回采率降低。

外錯式布置優點：使得下位煤層工作面之間煤柱寬度減小，展現綜采設備優越性，提高采區回采率；缺點：應力集中系數越大，導致巷道頂板易破碎，不易維護。

重疊式布置優點：采出率較高；缺點：靠近煤柱一側的巷道易產生片幫。

3.2 下位回采巷道合理布置方式的確定

甘溝在開采B3 煤層的過程中，受到B4-2 煤層開采，B3 煤層受到采動影響，造成B3 煤層采場圍巖力學環境發生改變。因此，在B3 煤層開采過程中，應該確定巷道的合理布置方式，采取有效的安全措施，加強巷道頂板圍巖控制。

綜合分析上述優缺點，結合甘溝的實際情況，使用內錯式布置方式，使B3 煤層巷道處于低應力區，利于B3 煤層巷道的支護與控制，而且內錯式布置的適用范圍更適合本礦，因此，選用內錯式布置。

3.3 下位回采巷道合理布置參數的確定

上述分析，確定了內錯式的布置方式，采用內錯式布置常用水平距離確定的經驗公式，來計算B3 煤層回采巷道與B4-2 煤層煤柱之間的水平距離[10-11]：

式中：S為B3 煤層回采巷道位置與B4-2 煤層煤柱之間的水平距離；Z為下位煤層回采巷道與上位煤層之間的垂直距離；α為本煤層傾角；β為應力傳遞影響角，存在θ+β=90°。

根據本礦井的地質資料可知，甘溝煤層傾角為14°，屬于緩傾斜煤層開采，B4-2 號煤層與B3 號煤層平均層間距為10.38 m，煤層的應力傳遞影響角為35°。將上述數據代入公式（2），得到S≥9.7 m，即B4-2 號與B3 號煤層內錯的水平距離為大于6.03 m。因此，為減小上位B4-2 煤層開采對下位B3 號煤層開采的影響，確定將內錯水平距離確定為6.03 m 以上，從而保證下位煤層回采巷道的穩定控制。

4 下位煤層回采巷道合理布置的數值模擬

利用UDEC 數值模擬軟件情況能夠非常直觀的觀察到上位煤層開采遺留煤柱下底板應力演化與裂隙發育情況，通過分析塑性區域分布情況，可以為了回采巷道的合理布置提供依據，具有十分優秀的適用性、可靠性以及科學性。

4.1 模型建立

為了分析B4-2 號煤層殘留煤柱在底板造成的應力分布，以甘溝為工程背景，利用離散元UDEC2D模擬軟件，模擬B4-2 煤層開采后，殘留煤柱下方的底板應力分布規律與不同內錯距下開采過程中區段煤柱塑性區分布。數值模型的長度為300 m，高度為120 m。煤層中部留設20 m 煤柱，煤層兩側分別開挖100 m 模擬煤柱兩側采空區。本次模型建立的本構關系為摩爾- 庫侖模型，由于開采深度為200 m，上部邊界條件為應力大小為5 MPa，模型兩邊限定初始邊界條件，X、Y 方向的速度為零，數值計算模型如圖3 所示。表1 為數值模型中各巖層屬性參數。

圖3 初始模型

表1 煤巖體力學參數

4.2 殘留煤柱對底板煤巷布置的影響

圖4 為B4-2 煤層開采后殘留煤柱的垂直應力分布情況，從中可以看出遺留煤柱的周圍應力集中，兩側采空區的應力處于卸壓區，底板形成的應力降低區到殘留煤柱的水平距離為20 m。受煤柱作用下底板垂直應力演化特征：在煤柱下部不同距離的底板巖層中，煤柱中間位置垂直應力為最大值，從中間至兩邊區域應力呈遞減趨勢，煤柱兩邊一定區域內減小速率最大；位于煤柱下方距離不等的底板巖層上，隨著垂直距離的增加，應力分布范圍變大，影響程度變小，反之則相反。

圖4 殘留煤柱垂直應力分布情況

圖5 為B4-2 煤層開采后殘留煤柱下的水平應力分布情況，從中可以看出，煤柱上方為應力增高區，煤柱兩側的采空區上方為應力集中區域，煤柱下方兩側位置處為應力降低區。圖6 為上位煤層開采后塑性破壞情況。從圖6 可以看出，B4-2 煤層開采后造成底板巖層的塑性破壞深度最大達20 m 左右，主要集中在煤柱的下方，B4-3 號煤層與B3 號煤層的層間距為10.38 m，B3 號煤層回采巷道布置受到上位殘留煤柱的影響，與理論部分計算符合。

圖5 殘留煤柱水平應力分布情況

圖6 上位煤層開采后塑性破壞情況

4.3 不同內錯距下開采過程中區段煤柱塑性區分布

B3 號煤層回采巷道不同內錯距的塑性區分布如圖7 所示。

圖7 不同內錯距的塑性區分布

由圖7 可知，當B3 號煤層回采巷道布置的內錯距為5 m 時，上位煤層殘留煤柱對B3 煤層影響范圍大，而且破壞嚴重，塑性區域范圍很大，當B3 號煤層回采巷道布置的內錯距為10 m 時，B3 煤層開采的塑性破壞區域減小，當內錯距為15 m 時，B3 號煤層的塑性破壞很小，巷道實體煤的部分形成可穩定承載上覆巖層載荷的區域，使得巷道所處位置承受載荷較小，且離殘留煤柱有一定的距離，回采巷道圍巖表現出良好的穩定性。

綜合殘留煤柱下的塑性破壞區分布可知，回采巷道的布置應該選取內錯距為15 m 的方案進行布置。

5 現場實測分析

根據以上結論，B4-2 號煤層開采時，留設20 m的殘留煤柱，1301 工作面采用內錯式布置，采取內錯距15 m 的下位煤層巷道布置方式，這樣有利于B3 號煤層回采時工作面巷道的維護。為驗證甘溝B3 號煤層巷道合理布置，對1301 工作面巷道回采期間圍巖變形進行監測，如圖8 所示。

由圖8 可知，工作面煤層回采期間，巷道頂底板變形量為10～90 mm，巷道兩幫的變形量為30～190 mm，隨著工作面到煤壁的距離增加，二者的變形量都在減小。通過現場測試結果可知，確定甘溝1301 工作面采用內錯距為15 m 的方式布置巷道時，巷道的圍巖可保持較高的穩定性，進一步驗證B3 號煤層巷道布置采用內錯距為15 m 方式為最佳布置方案。

圖8 1301 工作面回采巷道圍巖變形量

6 結 論

1）利用滑移線理論，通過公式計算得到甘溝B4-2 號煤層開采后，對底板巖層破壞的最大深度為18.7 m，嚴重影響到B3 煤層的開采，通過介紹下位煤層巷道布置方式，分析該礦合理的巷道布置方式，確定合理的采面錯距，選取內錯式布置巷道，內錯距不小于6.03 m。

2）采用UDEC 數值模擬軟件對B4-2 號煤層殘留煤柱對底板造成的應力分布情況，得到煤柱影響下的底板應力演化特征：在煤柱中間位置垂直應力為最大值，從中間至兩邊區域應力呈遞減趨勢，隨著煤柱的垂直位移的增大，應力分布范圍變大，但應力環境的影響程度減小。B4-2 煤層開采后殘留煤柱造成底板破壞主要集中在煤柱的下方，最大破壞深度達20 m 左右，與理論部分計算符合B4-2 號煤層與B3 號煤層的層間距為10.38 m。因此，B3 號煤層開采收到上位煤層殘留煤柱的影響。通過對不同內錯距下塑性區域分布情況進行分析，得到內錯距為15 m 塑性破壞區域最小。

3）通過工程實踐，甘溝B3 號煤層首采工作面采取內錯距15 m 的方式進行回采巷道的布置，對現場進行實測，巷道兩幫與頂板變形量小，，巷道圍巖有良好的穩定性，利用工程驗證上述分析的合理性。