煤礦下煤層回采巷道合理布置方式分析

李 忠

（山西焦煤西山煤電西銘礦，山西 太原 030052）

0 引言

當前，隨著煤炭資源開采強度的增大，為提升開采效率，近距離煤層群的開采已經成為很多礦區面臨的主要任務。但近距離煤層群之間因各層距離較小，在開采過程中，各煤層之間經常存在影響而造成下部煤層頂板出現完整性破壞，以及礦壓過高等不利因素。為規避這些問題，就需要對近距離煤層群開采模式下的回采巷道布置工作進行綜合研究，以提升開采效率及安全性[1]。

1 工程概況

某煤礦井田總面積約為60 km2，屬低瓦斯礦井，海拔標高約為1 050 m，共有含煤層4～19 層，其中可采煤層有2～12 層。含煤層平均厚度為17.57 m。當前，隨著開采工作的進一步推進，礦井方面擬對其中的兩個可采煤層進行開采，其中，2#煤層整體較為穩定，平均厚度約為2.98 m，煤層頂板主要為粉砂巖，底板主要為粉砂巖、泥巖；4#煤層穩定程度較差，平均厚度約為2.01 m，部分存在裸露自燃現象。

在開采工作開始前，勘查人員首先對目標煤層進行巷道松動圈測試，以分析工作面回采過程對巷道可能產生的影響。本環節采用YSZ 鉆孔窺視儀進行測試，在測試過程中，充分考慮薄弱斷面和存在特殊地質結構的斷面進行測試，并選取具有代表性的結果進行重點分析。測試后獲得的典型斷面測試結果，如圖1 所示。

圖1 典型斷面測試結果圖

從圖1 中可見，在探測區域內裂縫較為明顯，存在較大裂縫，部分節點變形較大且出現破碎情況，經過分析后確定松動圈范圍達到3.3 m。在查閱相關資料后獲知，該區域老頂未垮落時松動圈范圍為2.1 m，二者差值較為顯著，證明工作面回采會導致運輸巷道受到更多不利影響，需要對巷道的布置進行合理優化。

2 回采巷道整體方案布置

2.1 煤柱尺寸確定

根據相關理論分析可知，上部煤層留設煤柱的支承壓力將傳導至下部煤層巷道中，對于下部煤層巷道的穩定性必然產生一定影響[2]。同時，影響煤柱寬度的因素又相對較多，包括支承壓力、受力狀況、自身承載能力和采動頻率等。一般情況下，當留設煤柱兩側因受力產生塑性變形時，其通常會出現一個彈塑變形區，該區域又可細分為破裂區、塑性區和應力升高彈性區三部分，其基本示意圖如圖2 所示。

圖2 煤柱彈塑變形區示意圖

結合以上情況，在本次研究中，基于公式（1）對煤柱尺寸進行設計。

式中：p1表示支架對煤幫產生的阻力；K 表示頂板應力集中系數；m 表示煤層平均厚度；φ0和c0分別表示巖層和煤層接觸面的黏聚力與內摩擦角；f 表示煤層與頂板接觸面的摩擦因數；λ 表示側壓力系數，γ 表示上覆土重度。相關參數均可根據勘察資料獲得，代入相關數據后，求得該煤層的回采煤柱寬度確定為25 m。

2.2 回采巷道位置設計

根據該井田已有的勘察報告數據，確定兩個待開采煤層間的主要巖性包括粉砂質泥巖和泥巖，其中粉砂質泥巖為主導，巖體的單軸抗壓強度如表1 所示。

表1 層間巖體單軸抗壓強度

根據上表中的數據，以及巖性信息，最終確定普氏系數f 的值為3.56，估算巖體的平均強度約為34.6 MPa。同時，考慮到該工作面的巷道埋深均小于300 m，因此采取如下布置方案：將2#煤層巷道布置于距離底板邊緣15 m 處的位置，即在此處布置4#煤層順槽。

2.3 回撤巷道位置設計

結合以往的研究經驗可知，巷道布置的位置、巷道掘進時機和支護強度是影響回撤巷道穩定性的三個主要因素[3]，據此，研究人員通過以下幾個步驟對回撤巷道的位置進行確定。

一是計算巷道位置，在計算過程中，取埋深為110.2 m，上覆土重度取24 kN/m，頂板應力增高系數取35，支架對煤幫的支護阻力取200 KPa，而后基于上文中的公式進行計算，計算結果為6.44 m，為避開應力增高點，在該結果的基礎上，增加一定長度，該增加值為煤層厚度2 倍，代入數據后求得L 值為14.37 m。根據此計算結果，結合底板巷道的實際情況，查表確定輔助回撤巷道與主回撤巷道之間采取對中30 m 布置的措施，步距為25 m。

二是確定回采巷道與主巷的連接。在該步驟中，工作人員在新工作面布置膠帶順槽，將回風槽通過回撤端掘上山與回風巷連接導通，利用已有回風系統進行搭接，以提升施工效率。

2.4 支護方案設計

根據前期勘查結果發現，該煤礦回采工作面上方存在采空區，受到采空區影響，導致回采順槽巷道應力狀態復雜，傳統支護方式難以取得預期效果[4]。就此，技術人員決定采用錨-索-網聯合支護設計模式，綜合考慮性能、成本等多方面因素，最終確定錨桿和錨索的設計參數如表2 所示。

表2 錨桿錨索設計參數匯總表 單位：mm

確定以上參數后，基于以下幾個步驟進行支護設計：巷道頂板設置6 根頂錨桿，頂角錨桿與垂直方向呈10°夾角；頂板設置三根錨索，每根錨索配備3 卷樹脂藥卷，并控制錨索預緊力在100 kN 以上；巷道幫部設置4 根錨桿，并控制頂角錨桿與水平方向呈10°夾角。

3 試驗結果與討論

為探究本次巷道布置方式的可行性和有效性，測試人員針對擬采煤工作面布置監多個監測點[5]，收集監測數據并應用FLAC3D 進行分析，首先對應力變化情況進行分析，分析結果如圖3 所示。

圖3 巷道優化布置后的應力云圖

從圖3 中可見，巷道優化布置后，巷道圍巖應力狀態未出現明顯異常，其中右幫最大應力值為29.8 MPa，在巷道頂部和四周邊角處應力較為集中，最大值為16 MPa，整體處于較低水平。

在應力分析后，測試人員選擇時間跨度為60 d，對優化前后巷道圍巖表面變形監測數據進行整理，整理結果如表3 所示。

表3 巷道表面位移量對比分析

根據上表的數據分析可知，在采取本次設計的巷道合理布置措施后，巷道圍巖變形情況得到有效抑制，證明本次設計的巷道合理布置方案基本能夠滿足實際的生產安全需要。

4 結語

整體來看，在本次研究工作中，針對煤礦下煤層回采過程中巷道的安全風險因素，基于理論和實踐相結合的研究方法，對巷道布置方式進行了優化，確定了巷道優化布置工作中的主要指標參數，以此形成較為完善的巷道合理布置方案。在方案初步擬定后，對該方案的實際應用效果進行測試，測試結果表明，本次方案取得了一定的優勢，有望在后續工作中進一步推廣應用。