近距离煤层工作面巷道的合理布置

刘 平

(大同煤矿集团公司 云冈矿,山西 大同 037003)

崔家寨矿5#煤层与6#煤层平均间距为22 m。其中，5#煤层E12503和E12505工作面巷道位于6#煤层E12603和E12605工作面下方，6#煤层E12603和E12605工作面回采完毕后， E12503和E12505工作面回采巷道是在应力重新分布了以后的岩层中掘成的，E12503工作面巷道位于6#煤采空区煤柱的正下方。 E12505工作面机巷邻近于E12503机巷，中间仅相隔15 m的保护煤柱，因此E12505工作面机巷也将处在上部6#煤层遗留煤柱在底板岩层中的应力影响范围之内，考虑到上部煤层回采影响，巷道的围岩变形和底板巷道的受力存在很大的差别，同时巷道与上部煤层回采空间相对位置以及开采时间关系不同。因此，上部煤层工作面开采后应力的重新分布以及其在底板岩层一定范围的传播，成为影响底板巷道布置和维护的重要因素。

1 巷道布置对巷道稳定性的影响

影响煤层底板巷道布置以及维护的主要因素是该范围内底板岩层应力的重新分布。这主要是因为上煤层中工作面的开采过程会造成开采空间围岩应力的重新分布，重新分布的应力会向底板深部传递，最终造成底板岩层围岩的应力重新分布。E12503和E12505工作面回采巷道正处于6#煤底板岩层中。

巷道布置对巷道稳定性的影响可具体分为以下几类：

1)当巷道布置在已经稳定的采空区下方时，开采稳定后的上部煤层对底板会形成应力降低区，因此，巷道在煤层开采期间几乎不受采动影响，巷道的变形也不明显。

2)当巷道布置于保护煤柱的下方时，布置的巷道必然会受到集中应力的影响，使得变形明显，但在保护煤柱宽度较大以及巷道与保护煤柱水平间距够大的条件下，巷道避开了采动的影响，处于原岩应力场，变形量较小。崔家寨矿E12505工作面机巷虽然处在上部煤层的采空区下，但是与上部煤层遗留煤柱的水平距离很近，同样处在上部煤层遗留煤柱在底板岩层中所引起的应力增高的区域。

3)当工作面布置在未开采工作面下方时，随着工作面的回采，该巷道会受到上部煤层工作面的采动影响，对巷道变形量也有一定的影响。

综上可知，距开采空间合理距离范围内，巷道应布置在相对稳定的岩层中。影响巷道布置合理性的主要参数包括：巷道与上煤层的垂直距离，巷道与上煤层保护煤柱的水平距离以及上煤层保护煤柱的宽度。

现场实测表明：在巷道围岩性质、开采深度、上煤层开采情况以及巷道与上煤层垂直距离一定时，巷道与上煤层保护煤柱的水平距离决定巷道是否处于上煤层开采后对底板传递的应力增高区，巷道围岩整体变形速度与上煤层保护煤柱(两侧已采)水平距离的关系曲线见图1。

1—两帮移近速度 2—顶底移近速度

2 巷道位置合理参数确定

选择合理的底板巷道位置参数，分别从以下方面进行确定：

1)底板岩层中应力分布区域。

在煤体与采空区交界地区，采动引起的底板岩层应力分为以下区域：原岩应力、应力集中区、剪切滑移区、卸压区、应力恢复区、拉伸破裂区。卸压区、拉伸破裂和剪切滑移区应当是布置底板巷道的理想区域。

2)巷道稳定性指数的确定。

巷道稳定性指数表示的是巷道所在位置在未掘进前的最大主应力与该位置处围岩岩石单轴抗压强度间的比值(巷道稳定性指数表见表1)。巷道稳定性指数是确定巷道位置参数的主要依据。

表1 巷道围岩稳定性指数表

由E12503、E12505工作面现场地质条件可得，该巷道围岩稳定程度为中等稳定。

3)巷道主要布置参数的确定。

E12503和E12505工作面围岩巷道失稳破坏，在巷道布置方面，主要从3个方面进行分析：需要布置的巷道与上煤层的垂直距离、巷道与上煤层保护煤柱的水平距离以及该保护煤柱的宽度。理论上安全合理的条件是满足三个条件中任意一条即可，理论认为，满足其中任意一条均能保证工作面巷道位于上煤层的采动对底板的应力降低区内。

a)巷道与上煤层的垂直距离的确定。

在采动影响的条件下，巷道合理布置的要求是应该保持巷道围岩处于中等稳定状态。近距离煤层中，巷道开掘位置处围岩最大垂直应力范围由式(1)确定，通过该最大垂直应力，结合巷道与上煤层采动空间的安全高度关系表(表2)，可确定垂直安全距离。

pmax≤0.4×σ

(1)

式中:

pmax—巷道所处位置的最大垂直应力计算值，MPa；

σ—巷道围岩岩石单向抗压强度，MPa。

表2 巷道位置与上部开采空间的安全高度关系表

注：括号内的数字为相应的巷道围岩稳定性指数。

对于E12503、E12505工作面巷道，其围岩主要为砂岩，巷道围岩岩石的单轴抗压强度确定为30 MPa，该工作面巷道埋深292.4 m，由表2可知，对应条件下，巷道与上煤层采动空间的安全高度为65 m，也就是说在这个高度可以保证巷道的稳定状态。计算其上部煤层跨采时距离上部煤层所应有的最小层间距离时，巷道与上部煤层之间的垂直距离应大于由于工作面跨采而在底板内形成的破裂带的深度，巷道位置与上煤层开采所规定的最小垂直距离关系见表3。

表3 巷道位置与上部开采煤层间的最小垂直距离关系表

E12503、E12505工作面巷道的围岩强度为30 MPa,其埋深近300 m,由表3可知,其距离上部煤层的最小垂直距离应有20 m。E12503、E12505工作面巷道所在煤层距离上部煤层距离为24 m，由前述分析可知，该距离是上煤层采动对下方巷道围岩稳定性造成影响的临界值，要保证下方巷道围岩处于稳定环境中，需使巷道与上煤层保护煤柱的水平距离满足条件，只有水平距离足够大，才能使巷道位于上煤层采动的应力降低区内，最终保证巷道围岩的稳定。

b)巷道与上煤层保护煤柱水平距离的确定。

当巷道与上煤层间的垂直距离一定时，巷道与上煤层保护煤柱合适水平距离的确定应满足能保证该巷道位于上煤层采动的应力降低区内的原则。巷道位置与上部煤体边缘之间的水平距离关系见表4。

表4 巷道位置与上部煤体边缘水平距离关系表

结合前述结果，由表4可得出巷道与上部煤体之间的水平距离应该在25 m以上，才能使巷道处在卸压区，使巷道的稳定得到保障。

c)保护煤柱宽度的确定。

在两侧已采、宽度较大的煤柱的条件下，也就是巷道上部煤层遗留的保护煤柱足够宽时，煤柱在底板岩层中的支承应力呈马鞍形分布，底板岩层内同一水平面上σz以煤柱中心线处最小，煤柱中部支承应力接近原始应力状态，靠近煤柱边缘出现峰值。上部煤层保护煤柱的合理宽度值见表5。

表5 巷道上部煤层保护煤柱合理宽度表

由表5可知，在E12503、E12505工作面巷道埋深近300 m、围岩强度在小于30 MPa的条件下，如果上部煤层中保护煤柱宽度在40～50 m时，位于其下部的巷道能够处在稳定的区域。

3 合理的巷道布置决策

新掘进的巷道在位置的选择上应该综合考虑各种因素，从以上对巷道位置的研究，结合崔家寨煤矿地质条件，在其回采巷道布置设计时，最重要的是使巷道避开高压区巷道处在岩层中压力较小的位置，因此应该着重注意以下两个因素影响：

1)底板岩层中巷道与上部煤层工作面及遗留煤柱的相对位置。

2)同一煤层中相邻巷道之间的相对位置，即考虑邻近工作面间保护煤柱的宽度。

因此，对于相似条件下的E12504及E12611工作面回采巷道按照以上分析原理，确定巷道布置并进行比较分析。

a)E12504回风巷道布置。

在考虑巷道稳定性的同时，同样应该结合具体地质条件和经济效益综合考虑巷道的布置。早期设计的E12504回风巷道布置的特点为：巷道转弯前与邻近的E12506工作面进风巷道中间相隔15 m的护巷煤柱，并且转弯前巷道位于上部6#煤E12604采空区遗留的保护煤柱的正下方，而转弯后巷道与邻近的E12506工作面进风巷道中间相隔20 m的护巷煤柱，由于巷道转弯改变了直线方向，因此，不再处于E12604采空区遗留保护煤柱的下部。

综合考虑前述分析后，建议转弯前部分与邻近工作面之间保护煤柱宽度应为20 m以上，同时在转弯前部分巷道支护应采用加强支护方案。转弯后部分避开了上部煤层的影响，并且与邻近工作面之间煤柱宽度采用了22 m护巷煤柱的方案，巷道的布置充分考虑到了以上两个因素，巷道将处在应力相对较小的区域，巷道围岩的稳定性将比较有保障。

b)E12611回风巷道布置。

E12611工作面巷道布置的稳定性主要决定于相邻工作面的采动影响，并无上部煤层的采动影响和上方煤柱的支承压力作用。早期设计E12611工作面回风巷道与相邻的E12609工作面进风巷之间为15 m的护巷煤柱，相邻面采动影响对巷道围岩的稳定性影响还是很大的。对于此类巷道，建议采用20 m以上的保护煤柱，使巷道避开相邻工作面采动所引起侧向支承压力的峰值区域，给巷道支护和巷道围岩稳定的维护创造便利条件。

综合现场条件，由于与邻近工作面之间保护煤柱已经确定为15 m，煤柱宽度相对较小，因此在支护参数上应该采用加强支护方案，以保证巷道的稳定。

近距离煤层工作面巷道应布置在相对稳定的岩层中，且巷道布置的合理位置参数主要有：巷道与上煤层的垂距离、巷道与上煤层保护煤柱的水平距离以及该保护煤柱的宽度。在布置巷道时，理论上满足以上3个条件中任意一条均可保证工作面巷道的稳定性。

参 考 文 献

[1]谭云亮,刘传孝.巷道围岩稳定性预测与控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,1999：97-101.

[2]陈炎光,钱鸣高.中国煤矿采场围岩控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,1994：42-44.

[3]钱鸣高.矿山压力与岩层控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,2004：69-71.

[4]赵宏珠.回采工作面端头支护技术与设备[M].北京：煤炭工业出版社,1993：84.

[5]王作棠.采场底板岩体移动[J].煤炭学报，1989(3)：31-35.

[6]陈炎光,钱鸣高.中国煤矿采场围岩控制[M].徐州：中国矿业大学出版社,1994:21.

[7]徐永圻.煤矿开采学[M].徐州:中国矿业大学出版社,1998:8.

[8]钱鸣高,缪协兴.采场上覆岩层结构的形态与受力分析[J].岩石力学与工程学报,1995，14(2)：58-63.