近距離煤層下煤層回采巷道布置方式研究

王燕飛

（山西焦煤西山煤電西曲礦，山西 太原 030200）

0 引言

近年來，隨著煤炭開采強度的進一步增大，近距離煤層開采成為研究人員所重點關(guān)注的一項內(nèi)容，但由于近距離煤層開采存在諸多特殊性，其仍然面臨著較多的技術(shù)難題。為解決這些技術(shù)難題，對巷道布置方式進行優(yōu)化則是一項切實可行的工作，對此，應(yīng)當(dāng)重點研究近距離煤層下煤層回采巷道的優(yōu)化布置方式，以實現(xiàn)這些煤層的安全高效開采[1]。

1 項目概況

某煤礦井田當(dāng)前針對一號采取進行開采，該采區(qū)總厚度約為138.24 m，共計含煤15 層，煤層總厚度為10.11 m，該煤田設(shè)計產(chǎn)能為每年120 萬t。近年來，在高強度的開采下，井田主要采區(qū)4#煤近乎枯竭，經(jīng)企業(yè)研究決定，為保證產(chǎn)能，針對采取南側(cè)的10#煤層進行開采。通過前期勘查作業(yè)得知，該煤層厚度為1.6～2.9 m，平均厚度為2.3 m，屬于較為穩(wěn)定的可采煤層。但由于本次開采屬于典型的近距離煤層下煤層回采工藝，因此其安全風(fēng)險因素較多，對此，勘查工作人員對目標(biāo)開采區(qū)域工作面進行鉆孔和窺視分析，獲得典型分析圖像，如圖1 所示。

圖1 窺視圖像

經(jīng)分析，該圖像對應(yīng)鉆孔深度為7.9～8.7 m 范圍內(nèi)，存在較多裂隙發(fā)育，整體性較差，對于回采工作的影響不容忽視，因此企業(yè)技術(shù)部門決定對圍巖穩(wěn)定性進行較為詳盡的分析，并根據(jù)分析結(jié)果，設(shè)計更具針對性的巷道布置與支護方案[2]。

2 回采巷道布置方案

2.1 圍巖穩(wěn)定性分析

在本次研究工作中，圍巖穩(wěn)定性分析應(yīng)用模糊聚類分析法進行分析，分析流程包括以下幾個步驟：根據(jù)前期勘查獲得的資料數(shù)據(jù)，對回采巷道內(nèi)的圍巖分類指標(biāo)進行取值和標(biāo)準(zhǔn)化處理；應(yīng)用MATLAB 中的FCM工具函數(shù)，對樣本集進行計算，以得出模糊聚類中心；設(shè)定迭代閾值為1×10-4，進行40 次迭代計算，求出隸屬度數(shù)值，如表1 所示。

從上表中的數(shù)據(jù)可見，在開采過程中，8102 工作面的運輸巷和回風(fēng)巷屬于第三類，評級為“較穩(wěn)定”；而10103 工作面的運輸巷和回風(fēng)巷則屬于第五類，評級為“極不穩(wěn)定”，需要重點對此進行巷道布置優(yōu)化和支護作業(yè)。

2.2 巷道布置整體方案

針對本次近距離煤層下煤層回采巷道布置的實際情況，并兼顧礦井實際生產(chǎn)需求，采用內(nèi)錯式布置方式，將下煤層的回采巷道布置在上煤層工作面正下方。在此基礎(chǔ)上，對以下幾方面的重要參數(shù)進行確定[3]。

一是確定巷道合理錯距。根據(jù)相關(guān)理論分析可知，煤柱在受到均布載荷作用后，煤層底板將形成一定的應(yīng)力分布規(guī)律，其影響邊界通常為載荷p 的5%。同時，在集中載荷作用下，應(yīng)力在底板內(nèi)的傳遞效果將隨著煤柱距離的增大而下降，二者之間近似為反比例函數(shù)關(guān)系，對此，引入應(yīng)力傳播影響角θ，應(yīng)力影響范圍即可簡化如圖2 所示。

圖2 應(yīng)力影響范圍示意圖

根據(jù)該示意圖可知，應(yīng)力傳播影響角θ 隨著支承壓力的增大而增大，考慮到實際安全系數(shù)，該角度值取25°。據(jù)此，設(shè)計人員將本次擬開采的10#煤層回采巷道布置在8#煤層的底板應(yīng)力影響范圍之外，避免上煤層底板遺留煤柱存在應(yīng)力的影響。在此基礎(chǔ)上，下煤層回采巷道的合理錯距則根據(jù)方程L≥（h1+h2）×tanθ 進行計算，其中h1為煤層間距，h2表示10#煤層的厚度，代入相關(guān)數(shù)據(jù)后可求得L 的最小值為4.4 m，考慮到應(yīng)力降低區(qū)的應(yīng)力分布不均，將該結(jié)果乘以一個安全系數(shù)1.5，再考慮回采工藝流程可能造成遺留煤柱集中應(yīng)力的增大，綜合分析后，確定合理錯距值為10 m。

二是確定最終的回采巷道布置方案。基于已確定的內(nèi)錯式布置方案，將10103 工作面運輸巷布置在8103 工作面采空區(qū)下；同時10103 工作面回風(fēng)巷布置在8102 工作面采空區(qū)下，外錯8103 工作面。

為檢驗該方案的可行性，結(jié)合已有的研究結(jié)果，應(yīng)用FLAC3D 軟件進行模擬分析。根據(jù)已有資料，選取數(shù)值模型尺寸為300 m×100 m×100 m，并進行劃分網(wǎng)格和模擬施加7.3 MPa 的均布載荷，而后進行數(shù)值計算，計算結(jié)果如圖3 所示。

圖3 應(yīng)力分析云圖（左）和塑性區(qū)破壞云圖（右）

根據(jù)上圖并應(yīng)用軟件進行計算分析后得知，在該方案下，工作面運輸巷最大垂直應(yīng)力為0.15 MPa，且巷道所在區(qū)域為應(yīng)力降低區(qū)；塑性區(qū)破壞深度為1～3 m，且因上煤層采空區(qū)上覆巖層垮落，逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。證明本次方案具有相對較高的可行性[4]。

3 支護方案的設(shè)計

3.1 回采巷道支護參數(shù)的確定

由于在本次近距離煤層下煤層回采工作中，采區(qū)的10103 工作面穩(wěn)定性相對更低，因此本環(huán)節(jié)重點對此工作面的支護進行研究，具體分為以下幾個部分。

一是確定頂板支護方案。結(jié)合實際情況，該工作面運輸巷和回風(fēng)巷均采用規(guī)格為Φ20 mm×2 200 mm的高強度左旋無縱筋錨桿作為頂板錨桿，每排布置5根錨桿，間排距則控制為900 mm×1 000 mm，采用樹脂加長錨固方式進行錨固，錨固長度為1 309 mm。同時采用規(guī)格為150 mm×150 mm×8 mm 的高強度拱形托盤，將其安設(shè)在錨桿靠近巷幫的一側(cè)。

二是確定巷幫支護方案。針對該工作面運輸巷和回風(fēng)巷，巷幫錨桿均采用規(guī)格為Φ20 mm×2 200 mm的高強度左旋無縱筋錨桿，每排布置3 根錨桿，間排距控制為900 mm×900 mm，仍采用樹脂加長錨固方式進行錨固。同時在安裝過程中，靠近頂板的錨桿安設(shè)角度向頂板方向部偏移20°，其余兩根則垂直巷幫安設(shè)[5]。

三是確定架棚支護方案。本次采用11#礦用工字鋼棚進行支護，并控制各鋼棚單體間的距離為1 000 mm進行布置。

3.2 礦壓監(jiān)測

為檢驗支護效果，在巷道掘進過程中，針對本次10103 工作面，在該工作面的運輸巷布置三個測點，三個測點分別距離運輸巷20、40、60 m，布置完成后，采用十字交叉法進行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如表2 所示。

表2 礦壓監(jiān)測結(jié)果

從上表中的數(shù)據(jù)可知，在該工作面中，巷道頂?shù)装逡平亢拖锏纼蓭鸵平烤幱谙鄬^低的水平，證明本次采取的支護措施發(fā)揮了重要作用。

4 結(jié)語

整體來看，在本次研究中，結(jié)合某地煤礦采取中近距離煤層回采工作的實際需要，通過現(xiàn)場勘查、理論分析和實踐應(yīng)用三個方面，對該煤礦內(nèi)回采巷道的合理布置方式和支護技術(shù)均進行了一定的研究，并對實際應(yīng)用效果進行了初步的分析和檢驗，結(jié)果表明，本次設(shè)計的回采巷道布置方式具有較高的合理性與可行性，有望在今后的相關(guān)工作中逐步得到實際應(yīng)用。