浅埋近距离煤层群上下煤层同采巷道布置优化＊

2014-05-30李福胜

中国煤炭 2014年5期

李福胜

（1.中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083；2.中国神华国际工程有限公司，北京市东城区，100007）

在神东地区赋存大量浅埋深煤层群，煤层间距由10 m至40 m不等。由于埋深较浅，巷道围岩应力场不同于普通深井巷道，而多数矿井采用上下煤层同采才能达产，两近距离煤层同采过程中，其应力场相互影响，因此，浅埋深上下同采工作面巷道围岩应力场呈现出不同的特点，根据该特点确定合理巷道布置方式对降低支护难度、保证矿井高产高效有重要意义。我国许多学者对不同地质条件下巷道布置方式进行了系统的研究，索永录、鲁印英、李世昌、李斌等对极近距离、高瓦斯、急倾斜等不同条件下煤层群下层煤工作面巷道合理布置位置进行了系统的研究，但对于浅埋深上下煤层同采工作面鲜有研究。本文针对神华李家豪煤矿2－2煤层和3－1煤层同采时巷道的合理布置问题进行研究，分析了不同布置方式、不同错距条件下的应力场，为浅埋近距离煤层巷道合理布置提供了理论依据。

1 工程概况

李家壕矿井田赋存多层可采煤层，倾角1°～3°，地质构造简单，煤层埋深80～400 m；该矿煤层柱状图如图1所示。2－2上煤层、2－2下煤层和3－1上煤层都不稳定，为零星可采煤层，2－2中煤层和3－1煤层为主采煤层。矿井投产初期需要600万t／a才能达产，2－2煤层和3－1煤层同采才能满足生产要求。2－2中煤层可采厚度0.80～4.75 m，平均2.02m，首采工作面为11208工作面。3－1煤层自然厚度0.75～8.23 m，平均4.08 m，可采厚度0.80～7.05 m，平均3.86 m。首采工作面为12108工作面，采用单一倾斜长壁后退式全部垮落综合机械化俯斜开采的采煤方法。

图1 李家壕煤矿煤层柱状图

2 巷道布置方式的选择

在煤层开采之后，2－2煤层顶底板应力重新分布，顶底板岩体发生位移变形，甚至破坏。工作面后方已经开采的区域顶板岩层的重量会移至其四周未被采动煤岩层上，因此采空区周围形成支承压力带，分别为移动性支承压力、固定支承压力和采空区支承压力。11208工作面巷道外帮煤壁受侧向支承压力区的影响，存在应力峰值，内帮为减压区，如图2所示。

图2 上煤层开采后侧向支承压力

由于下煤层厚度为上煤层的2倍，选择巷道布置方式时，应重点考虑下煤层回收率及巷道维护难易程度。

若3－1煤层巷道选择内错式，其巷道将布置于减压区下方，应力不大，巷道易于施工和维护。但回采过程中受上煤层采动影响剧烈，位移量较大，而且当采用锚杆支护巷道时巷道不会得到有效的锚固，支护效果很差，巷道维护较困难，工作面长度有所缩短，资源回收率降低。若采用重叠式，回采期间巷道顶板受应力集中较大，且煤柱处于上煤层形成的高剪应力区，矿压显现剧烈，给下煤层回采巷道的掘进及维护会带来很大影响。若采用外错式，下煤层巷道将位于上煤层形成的侧向支承压力区，应力集中不利于巷道维护，但工作面长度加大，回采率高，煤炭损失量小。

经上述分析，选择外错式布置方式较合理，3－1煤层煤柱尺寸减小，使得其回收率提高。由于2－2煤层较薄，其侧向支承压力不大，应力集中系数也不太大。因此选用外错式布置方式时外错距离是关键，合理的外错距离能使下煤层巷道避开应力峰值区域，降低巷道维护难度。

3 巷道合理错距数值模拟分析

为研究李家豪矿下煤层巷道外错合理距离，建立FLAC3D数值模型。根据李家豪矿实际地质资料，将模型中力学性质相近且厚度较小的岩层互相组合，建立走向300 m、倾向200 m、高度150 m的数值模型。模型上边界埋深为50 m，在其上方施加1.25 MPa的垂向载荷表示松散层自重。

图3所示为12108工作面推进方向上巷道顶底板垂直应力分布规律。模拟中，巷道共开挖了100 m，上煤层工作面推进至50 m时分析对下层巷道应力分布影响。由图3可知，上工作面开采对下巷道不同错距时顶底板应力分布影响变化较明显，以采空区后方巷道底板的应力变化特征对不同错距时下层巷道顶底板应力分布规律进行研究。单层开采时巷道底板应力等值线呈 “枕形”分布，且分布较均匀；煤层群同采下层巷道外错4 m时处于上层煤采空区后方的巷道底板应力等值线出现向下凸的现象，整个巷道底板应力等值线呈一侧高的“马鞍形”分布，如图3（a）所示；随着外错距离的增大，等值线下凸现象逐渐消失，当错距16 m时底板等值线基本已恢复 “枕形”分布，如图3（b）、3（c）、3（d）所示。

图3 12108工作面巷道垂直应力分布俯视图

可见上层工作面采动对下层巷道底板的卸压范围会产生影响，以应力降低40%为卸压界限，外错距离越大底板巷道底板卸压深度逐渐减小。如图4所示，单层开采时卸压深度为3.28 m，4 m错距时卸压深度最大为6.59 m，10 m错距时为3.60 m，12 m错距时为3.40 m，16 m错距时卸压深度最小为3.32 m，卸压深度减小的速度越来越小，12 m错距以上时卸压深度变化幅度已非常小，工作面采动对巷道底板卸压发育深度影响趋于消失。由此确定12 m为3－1煤巷道合理的外错距离。

图4 12108工作面巷道底板垂直应力分布曲线

4 现场实施效果

根据理论和模拟的分析结果，李家豪12108工作面巷道外错上煤层11208工作面12 m布置，如图5所示。

图5 11208和12108工作面巷道布置示意图

巷道表面变形观测是在材料巷进行的，材料巷超前支护约40 m，变形观测时间70 d，共获得了300多个观测数据。对这些观测数据进行了整理分析，绘出了巷道移近量及移近速度图。巷道内第1＃，2＃，3＃，4＃，5＃，6＃，7＃测点距工作面距离分别为20 m，30 m，40 m，50 m，60 m，70 m，80 m，其顶底板和两帮相对移近量及移近速度的观测结果如图6、图7所示。

由以上数据可知，12108工作面材料巷道表面在回采期间在超前支护的作用下，临近工作面顶底板及两帮位移量及位移速度大，随着距离越来越远，当接近60 m时采动影响已经很弱，当距离工作面80 m时，巷道围岩位移不明显，位移速度已经很小，说明巷道已经处于稳定状态。另外，当工作面回采时，各个测站断面的顶底板移近量和两帮收敛变形量在工作面附近比较明显，顶底板收敛变形相对两帮移近量来说要大一些，说明尽管顶板已经进行锚网支护，但顶底板围岩破坏应力仍然较大，矿山压力显著，所以在回采工作中要及时关注巷道变化，加强工作面前方超前支护强度。当远离工作面时，无论是顶底板还是两帮位移及移动速度都基本处于稳定状态，可见12108工作面回采巷道与上层回采巷道外错12 m能够满足工作面正常推进的要求，同时现场采用的支护方式也起到了很好的效果，较好地维护了工作面巷道的稳定性。