浅埋厚煤层下分层综放面巷道布置研究*

张学亮

(天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京市朝阳区，100013)

★ 煤炭科技·开拓与开采 ★

浅埋厚煤层下分层综放面巷道布置研究*

张学亮

(天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京市朝阳区，100013)

基于神东活鸡兔井浅埋厚煤层下分层综放开采实际，采用理论分析和数值模拟等方法分析确定下分层巷道布置采用外错布置，合理错距为4 m。通过现场实测巷道使用效果表明，巷道顶板垂直位移最大8 mm、顶板离层量最大8 mm，满足下分层综放工作面安全生产要求。

浅埋煤层 综放工作面 下分层开采 巷道布置

随着我国综放开采技术的发展，综放开采一次整层开采厚度达到20 m以上，神东地区侏罗系煤层具有韧性高、硬度大的特点，长期以来以综采为主进行开采，单层最大厚度约10 m。神东柳塔矿在不稳定厚硬煤层条件下采用ZFY10200/25/42型两柱掩护式放顶煤支架综放开采3～8.5 m、平均7.3 m厚煤层取得成功，榆林地区双山和神树畔等煤矿采用ZFY17000/27/50型两柱掩护式放顶煤支架综放开采8～10 m厚煤层取得成功，回收率达到80%以上。

大柳塔煤矿活鸡兔井2盘区1-2煤层复合区，煤层埋深为76～106 m，属于浅埋深，煤层总厚10 m 左右。该复合区煤层采用分层开采，上分层已进行了回采，2001年3月至2006年5月先后回采了复合区内上分层的北翼12上201、12上203、12上205、12上207、12上209 5个工作面，南翼12上208、12上206、12上204、12上202 4个工作面。上分层开采采用综采工艺，采高为3.5～4.0 m。上分层综采回采时底板局部下凹或顶煤局部留设过厚，且回采时未采取铺网等人工制造假顶措施，在这种条件下准备回采下分层煤层。

近距离煤层群或厚煤层下分层工作面在开采过程中引起回采空间周围岩层应力重新分布，不仅在回采空间周围的煤柱上易造成应力集中，而且该应力将向底板岩层深部传递，造成布置在底板岩层中或近距离厚煤层中的巷道变形急剧增大。因此上下层工作面的位置关系与回采巷道布置的问题是一个难题。因此，确定下分层工作面合理的采煤方法和巷道布置方式是活鸡兔下分层工作面回采成功的关键。

1 现场概况

大柳塔煤矿活鸡兔井1-2煤层复合区下分层首采12下202工作面区域煤层厚度9.63～10.35 m，平均厚度10.0 m。上分层已采厚度3.46～4.92 m，平均4.45 m；下分层剩余厚度为5.08～6.54 m，平均5.46 m，埋深63.4～99.3 m，煤层底板以泥岩为主，粉砂岩次之。

12上202工作面上覆基岩厚度42.3～86.4 m，工作面长度为232 m，工作面两平巷宽度均为5.5 m，12上202工作面运输巷侧煤柱宽度为20 m，回风巷侧煤柱宽度为31 m，该面已于2005年回采完毕。

12下202工作面采用综放开采，工作面实际长度为249.8 m，工作面推进长度为1124 m；割煤高度3.49 m，放煤高度2.02 m，采放比为1∶0.57；工作面截深0.8 m，放煤步距0.8 m，采用一刀一放开采工艺。工作面配套设备为JOY7LS6C/LWS738采煤机、ZFY10200/25/40D型两柱放顶煤支架136架(支护强度1.08～1.11MPa)、JOY 2×1050kW型刮板输送机2部、SZZ1350/700型转载机及PLM5000A型破碎机。

2 下分层巷道布置方式

下分层开采时，工作面巷道布置主要取决于下分层矿压显现情况及下分层巷道支护的难易程度等，一般下分层巷道布置有内错布置、外错布置、垂直布置、平移布置等方式。内错布置方式是下分层平巷在上分层工作面的内侧，形成正梯形煤柱，下分层工作面区段煤柱尺寸变大，而工作面长度缩短，如图1(a)所示；垂直布置是下分层平巷在上分层平巷的垂直下方，能够保证下分层工作面的长度，但增加了下分层工作面巷道支护的难度，如图1(b)所示；外错布置是下分层平巷在上分层工作面的外侧，煤柱成倒梯形，下分层区段煤柱尺寸变小，可保证工作面的长度，如图1(c)所示；平移布置是下分层工作面相对上分层工作面整体平移，将下分层工作面平巷和区段煤柱留设于上分层工作面采空区下，如图1(d)所示。

图1 下分层巷道布置方式示意图

通过对多个矿区厚煤层下分层或近距离煤层下分层巷道布置情况看，内错布置方式运用较多，外错布置相对较少。上层煤开采后或者上下煤层群联合开采时，下层煤回采工作面及两工作面巷道均要受到上层煤工作面开采后造成的强烈矿压影响。采用外错布置，下层煤工作面巷道处于上层煤遗留煤柱的应力增高区内，工作面尤其是两巷道维护与掘进一般比较困难，巷道返修率高，维护成本大幅度增加，安全隐患增加；且下分层煤柱尺寸变小，可保证工作面的长度。采用内错布置时，下煤层工作面巷道处于上煤层遗留煤柱的应力影响增高区外，应力相对较低，维护难度及成本相对较低，且下分层煤柱尺寸变大，工作面长度缩短。垂直布置可以看作内错布置内错距离为零的特殊情况，在上下煤层群距离较小(一般为极近距离，0～3.5m左右)时，上层煤在回采时工作面巷道底板基本遭到破坏，下层煤掘进与支护比较困难，此条件下不宜采用；煤层间距离较大时可以采用，既可以避免上层煤煤柱造成的强烈集中应力影响，又可以减少下煤层留设煤柱宽度，提高煤层回收率。

大柳塔煤矿活鸡兔井1-2煤层复合区上分层已采厚度3.46～4.92 m，平均4.5 m；下分层剩余厚度为5.08～6.54 m，平均5.5m。巷道高度按3.5 m考虑，则巷道垂直布置条件下层间距平均只有2 m左右，不利于下分层巷道支护，即使采用工字钢架棚支护，也存在顶板冒落、漏风等隐患，并进一步引起自燃等安全问题。采用内错布置将会留下较大区段煤柱，工作面长度显著缩短，开采效益下降，与垂直布置同样存在巷道支护困难的问题。

综合对比后，建议选择外错布置，既有利于加大工作面斜长，减小区段煤柱，又使下分层巷道位于上层区段煤柱内，虽然巷道压力显现会增大，但有利于采用锚网支护，现有技术条件下能够满足支护及使用要求。

3 下分层巷道合理错距

3.1 理论分析

活鸡兔井1-2煤层复合区12上200工作面、12上202工作面、12上204工作面等3个相邻工作面均采用双巷掘进，12上202工作面与12上200工作面之间的区段煤柱宽度为20 m，12上202工作面与12上204工作面之间的区段煤柱宽度为31 m，12下202工作面位于12上202工作面下方，12下202工作面回风巷布置在20 m煤柱下方，12下202工作面运输巷与12下204工作面回风巷布置在31 m煤柱下方。

根据上述分析，下分层工作面巷道布置采用外错布置，需要确定下分层巷道的合理平移距离。根据弹性力学半平面问题的求解结果分析可知，在均布载荷条件下煤层底板的应力在煤层底板岩层内传递是由近及远、由大到小的，距离煤柱底板中的深度愈大，产生的垂直应力愈小，如图2所示。

图2 煤柱底板支承压力分布示意图

一般认为0.1倍煤柱均布载荷p大小的应力对巷道的影响可以忽略不计，即煤柱的应力影响边界在0.1p处。由于下分层煤层厚度只有5.5 m，下分层巷道必然处于0.5p以上的煤柱应力影响区内，此影响不可避免，只能通过合理的支护方式进行解决。

护巷煤柱保持稳定的基本条件是煤柱两侧产生塑性变形后，在煤柱中央仍处于弹性应力状态，即在煤柱中央保持一定宽度的弹性核。对一次采全厚的综放工作面护巷煤柱，弹性核的宽度取两倍的巷道高度即可。根据极限平衡理论可求得回采工作面周边煤体的塑性区宽度R0为：

(1)

式中： M——煤层开采厚度，取5.5 m；

λ——侧压系数，λ=μ/(1-μ) ；

μ——泊松比，μ取0.27，则λ为0.37；

ø0——煤体交界面内摩擦角，取28°；

C0——煤体交界面粘聚力，取3.5 MPa；

K——回采引起的应力集中系数，取6；

H——开采深度，取100 m；

γ——上覆岩层平均容重，取25 kN/m3。

将数据代入式(1)，可求得回采工作面周边煤体的塑性区宽度R0为2.27 m，巷道高度h按3.5m计算，下分层煤柱的宽度按B≥R0+2h+R0计算，则煤柱最窄为11.54 m。

工作面运输巷断面宽5.6 m、高3.5 m，回风巷断面宽5.4 m、高3.5 m，31 m区段煤柱下方需要布置12下202工作面运输巷与12下204工作面回风巷，则31 m煤柱下方剩余8.46 m (31 m -5.6 m -5.4 m -11.54 m =8.46 m)煤柱，则巷道外错距离可按4.23 m考虑。

3.2 数值模拟分析

根据活鸡兔井1-2煤层的钻孔柱状图建立模型，其中相近的岩层合并考虑，本次模拟考虑了20m的底板，煤层厚度10 m，模拟所建立的模型各岩层厚度见表1。

模型4个立面均固定法向位移，底面同样固定法向位移。由于煤层埋藏较浅，本次直接模拟到地表黄土层，没有考虑等效载荷的替代问题，黄土层主要考虑其重力作用。

煤岩层物理力学参数如表2所示，将煤层按两层建立，分为上分层和下分层。

模拟选取下分层12下202工作面运输巷与12下204工作面回风巷，巷道宽度5 m，12上202工作面与12上204工作面之间区段煤柱宽度30 m，分析下分层巷道外错距0 m、2 m、4 m、6 m、8 m时(下分层两个巷道间区段煤柱分别为20 m、16 m、12 m、8 m、4 m)，下分层区段煤柱的破坏情况。

通过模拟分析可见，下分层巷道开挖后，巷道两侧形成3 m左右的塑性破坏区。当下分层巷道外错距为0～2 m时，下分层巷道上方受到上分层巷道塑性破坏区影响，不利于下分层巷道支护；当下分层巷道外错距增大至4 m以上时，下分层巷道上方受到上分层巷道塑性破坏区影响已经较小；但是当下分层巷道外错距增大至6 m时，下分层两条巷道间区段煤柱弹性区已经不足2 m，外错距进一步增大至8 m后，下分层两条巷道间区段煤柱完全处于塑性破坏区，不能保证回采期间的安全使用。

表1 模型各层组的分布情况表

表2 数值模拟采用的参数

通过模拟分析表明，外错距为4～6 m时，即下分层两条巷道间区段煤柱宽度减小至12～8m时，下分层工作面区段煤柱内仍存在一定的未发生塑性破坏区域，如图3所示。

通过数值模拟分析，确定下分层巷道的合理外错距不小于4.0 m，此时下分层工作面区段煤柱宽度不大于12 m。

4 下分层巷道使用效果

4.1 巷道布置与支护

12下202工作面运输巷上方煤柱为31 m，运输巷与12上202回风巷外错错距4.2 m；12下202工作面回风巷布置在上方20 m煤柱之下，回风巷与12上202运输巷外错错距4.3 m，12下202工作面两巷道布置如图4所示。

12下202工作面切眼宽度达到8.8 m，跨度大，为便于切眼采用锚杆、锚索支护，切眼布置在实体煤之下。12下202工作面切眼布置在12上202工作面切眼后方20 m。

12下202工作面回风巷与运输巷断面宽度5400 mm，高度3500 mm，回风巷与运输巷顶板采用锚网索支护，采用规格为ø18 mm×2100mm锚杆，间排距950 mm×1000 mm，每排6根；同时还采

用规格为ø17.8 mm×8000 mm锚索，间排距2000 mm×2000 mm，每排3根。回风巷与运输巷两帮采用锚杆支护，工作面煤壁侧采用规格ø20 mm×2100 mm玻璃钢锚杆，间排距1000 mm×1000 mm，每排3根；区段煤柱侧采用规格ø18 mm×2100 mm锚杆，间排距1000 mm×1000 mm，每排3根。

12下202工作面回风巷与运输巷过上工作面区段煤柱联巷等顶煤变薄区域，由于无法采用锚索，顶板采用锚杆+U型钢棚复合增强支护，顶板支护采用规格为ø18 mm×1000 mm锚杆，间排距1000 mm×1000 mm，每排4根，U型钢棚棚距1.0 m，巷帮支护与正常段相同。

4.2 实测巷道布置效果

通过在12下202工作面运输巷与回风巷中各布置4个测站进行现场监测。距工作面100 m布置第一个测站，后面3个测站距上一个测站均为30 m，每个测站包括2个巷道表面位移监测仪和1个顶板离层仪。回采观测期间，巷道位移变形量均很小，至工作面推进至190 m时完全推过4个测站，顶底板垂直位移量最大为8 mm，说明巷道支护参数选择合理，满足生产需要。顶板离层监测表明，巷道围岩变形较小，顶板离层量与初始值相比，变化较小，至工作面推过4个测站，顶板离层监测深基点离层量最大累计8 mm，浅基点不足5 mm。

通过现场实测分析，表明所采用的下分层巷道布置方式及支护方式合理，能够满足下分层综放开采安全生产要求。

图4 两巷道布置

5 结论

(1)活鸡兔井浅埋厚煤层下分层综放开采是首次在神东矿区9～12 m坚硬厚煤层中应用,下分层5.5 m煤层通过采用外错式布置、外错距不少于4.2 m的综放开采工艺,成功实现了安全高效回采。

(2)现场实测表明，外错布置方式通过合理支护，巷道变形量小、顶板离层量小，外错距4.2 m满足下分层综放工作面安全生产要求。

[1]张子飞,杨俊哲等.7 m大采高综采工作面开采关键技术研究. 煤炭工程,2015(3)[2]冯晓栋,任永强等.浅埋深中硬厚煤层大采高综放开采实践. 煤炭工程,2011(6)

[3]佘永明,任永强.柳塔矿不稳定厚硬煤层综放面矿压显现规律研究. 中国煤炭,2013(3)

[4]许雪峰,王甜. 煤层复合区无人工顶板条件下分层开采方案研究. 煤炭科学技术,2015(S2)

[5]张勇.上分层煤柱下的下分层综放开采技术实践与分析. 中国煤炭,2006(10)

[6]翟德元,杨键军等.特厚煤层分层开采技术研究. 中国煤炭,2008(12)

(责任编辑 张毅玲)

Research on roadway layout in fully mechanized caving face of lower sliceof shallow thick coal seam

Zhang Xueliang

(Coal Mining & Designing Department, Tiandi Science & Technology Co., Ltd., Chaoyang, Beijing 100013, China)

Based on the mining conditions of mechanized caving face in lower slice of shallow thick coal seam in Shendong Huojitu Mine, theoretical analysis and numerical simulation methods were adopted to analyze and determine the roadway layout of lower slice, which determined the outer dislocated layout and the reasonable dip separation of 4 m. Field test showed that the vertical displacement and separation of roadway roof were under 8 mm, which met the safety production requirement of mechanized caving face of lower slice of shallow thick seam.

shallow seam, fully mechanized caving face, lower slice mining, roadway layout

国家自然科学基金青年基金项目(51504135)，煤炭科学研究总院基金(2015ZYJ001)

TD353

A

张学亮(1984-)，男，山东临朐人，硕士、助理研究员，主要从事矿山压力与岩层控制及采煤方法等方向研究。