大埋深高应力近距离煤层下位煤层回采巷道布置方案优化

孙海良

(平顶山天安煤业股份有限公司, 河南省平顶山市，467000)

大埋深高应力近距离煤层下位煤层回采巷道布置方案优化

孙海良

(平顶山天安煤业股份有限公司, 河南省平顶山市，467000)

针对大埋深高应力近距离煤层下位煤层巷道布置问题，通过分析上位煤层回采后围岩应力分布规律，对下位煤层巷道不同的布置位置进行了对比研究，选择下位煤层工作面跨上位煤层相邻工作面煤柱布置的最佳方案。运输巷和回风巷有效避开了高应力区，取得了良好的支护效果，加快了工程进度，缓解了采掘接替紧张局面。

大埋深高应力近距离煤层 下位煤层 回采巷道布置 跨煤柱布置

AbstractAiming at the roadway layout problem of lower seam of close distance coal seams with large depth and high stress, surrounding rock stress distribution law after upper seam mining was analyzed, and through contrasting and studying different layout location of roadway in lower seam, the optimum layout scheme was determined that the working face of lower seam was across the nearby face coal pillar of upper seam. The scheme made the transportation roadway and return airway effectively avoid the high stress area, and achieved good supporting effect, so it speeded up the project progress and released the tense situation of tunneling and mining.

Keywordsclose distance coal seams with large depth and high stress, lower coal seam, mining roadway layout, arrange across coal pillar

近距离煤层群开采过程中，上位煤层回采破坏了岩层应力平衡状态，顶底板岩石发生塑性变形，岩体内部的应力重新分布，采空区应力降低，区段煤柱上产生应力集中。上位煤层采动必然影响下位煤层围岩应力状态，下位煤层中的回采巷道布置位置不佳将会引起巷道变形破坏严重，给巷道维护造成很大困难，影响巷道掘进速度和稳定时间。因此，上位煤层回采后，下位煤层工作面与上位煤层工作面相对位置和巷道布置问题是近距离煤层群开采过程中的一个难题。

1 概况

平煤股份八矿所采己15煤层和己16.17煤层层间距为2.8～9.8 m，煤层倾角平均为7°，己15煤层平均厚度为3.5 m，己16.17煤层平均厚度为1.3 m，目前采深620 m，为典型的大埋深、高应力近距离煤层。上位己15煤层先开采，采空区处理为全部垮落法，区段煤柱为6 m左右，己16.17工作面原采用外错布置，即工作面双巷分别布置于己15工作面区段煤柱下方，如图1所示，采用锚网(索)拱支联合支护，巷道支护断面如图2所示。

图1 己15煤层和己16.17煤层原巷道布置剖面图

图2 原巷道支护断面图

采用该布置方案，己16.17两巷压力显现明显，施工中前掘后翻，移交前至少翻修一遍。回采过程中超前压力加剧巷道破坏，不得不再次支护，不仅浪费了大量的人力、物力，而且严重影响回采工效。

2 巷道破坏机理

根据研究，上部煤层开采后，巷道应力分布及围岩应力变化规律如图3所示。

(1)上位煤层回采后，顶板岩石垮落，如图3(a)所示。此时在采空区实体煤一侧的煤体和遗留的区段煤柱上出现了明显高于原始应力的集中应力。

(2)上位煤层回采后，采空区处于低于原始应力的降压区，受煤柱支承应力影响，采空区两侧靠近煤柱处应力值最低，采空区内随着距煤柱距离增大，应力逐渐升高，且应力最高值小于原始应力。

(3)遗留煤柱承受的集中应力将向底板岩石传递。在底板岩石中，随着深度增加传递范围逐渐变宽，且应力值随着距煤柱距离增大而减弱，如图3(b)所示，图中压力传递角α表示了传递范围变宽的趋势。

图3 巷道应力分布图

(4)考虑到煤岩层存在倾角，受岩体自重应力影响，无论是采空区一侧的实体煤还是遗留下来的区段煤柱，应力集中最严重的位置由垂直应力最大值处向下山方向偏移。

(5)按照以前的设计方案，采用巷道外错布置，下位煤层巷道正好处于上位煤层煤柱底板应力集中区内，如图3(b)中的巷道A，围岩压力大，支护难度大，巷道极易被压坏。

3 方案优化

通过对原外错巷道破坏机理分析，下层巷道必须布置在应力降低区，为此，初步确定3套方案，并进行了分析：

(1)方案Ⅰ。己16.17工作面运输巷和回风巷与己15工作面运输巷和回风巷重叠布置，如巷道B和B′。可以看出，虽然避开了上层煤柱的应力集中区，也不在煤柱底板应力峰值范围内，但仍处于己15工作面煤柱底板应力集中区范围之内，巷道施工和支护仍然相当困难。

(2)方案Ⅱ。己16.17工作面两巷采用内错布置，并且布置在煤柱底板应力影响范围之外，如巷道C和C′，如此，巷道处于应力降低区，施工及维护容易，但工作面运输巷和回风巷均要损失较大的煤柱，如图3(b)中的L1段。

(3)方案Ⅲ。将己16.17工作面跨上位己15煤层相邻两个工作面区段煤柱布置，实现跨煤柱回采，使运输巷和回风巷均布置于应力降低区，并尽可能的远离己15煤柱底板应力影响区域。

通过分析比较，方案Ⅲ中运输巷和回风巷既可以避开己15煤层区段煤柱底板集中应力的影响，降低支护难度，而且克服了方案Ⅱ中较大的煤柱损失，提高了回采率。至于工作面中间位置处在煤柱应力集中区下，对于综采工作面来说，其影响程度远小于应力集中对两巷的影响。

4 方案设计

4.1 回采巷道错距

己16.17煤层与己15煤层回采巷道的最小错距可按下式计算：

L≥(h1+h2)tanα-B

(1)

式中：L——己16.17煤层与己15煤层回采巷道的错距，m；

h1——己16.17煤层与己15煤层间距，取最大值9.8 m；

h2——己16.17煤层厚度，取1.3 m；

α——己15煤柱压力影响角，取40°；

B——己15煤层巷道宽度，取4.0 m。

将相关数值代入式(1)计算得L≥5.3 m，考虑到回采工作面端头附近10 m内顶板管理难度较大，确定错距L≥15 m，即己16.17煤层回采巷道跨煤柱布置时，与上位己15煤层巷道的错距应不小于15 m。

因此，下位煤层回采巷道可采用跨煤柱的布置方式，下位己16.17煤层回采巷道分别布置在上位煤层遗留煤柱的两侧15 m以外，如图4所示。

图4 己15和己16.17煤层巷道布置图

4.2 支护方案

由于采用方案Ⅲ，运输巷和回风巷均处于应力降低区，所以不再采用锚网(索)拱支联合支护，仅采用工字钢架棚支护，断面尺寸为3 m×3 m，棚距700 mm，棚腿扎角为76°，顶面和帮面各采用6块木背板，并用500 mm×800 mm规格的钢笆网刹严背实，帮顶棚腿各采用2道撑木打紧撑牢，增强支护整体性，如图5所示。

图5 梯形支架断面图

5 工程实例及效果

根据方案Ⅲ确定的原则，在己16.17-13030工作面进行了实践，该工作面可采走向长度1200 m，回采巷道采用跨煤柱布置方案后，确定与上位己15-13030工作面巷道错距为15 m，设计采用钢梯支护，掘进期间两巷平均进尺300 m/月，较己16.17-13070工作面采用传统内外错综合布置平均进尺200 m/月提高了50%，且工作面移交之前只进行了局部拉底，提前2个月移交工作面，有效缓解了该采区的采掘接替紧张局面，并且节约人工成本36万元、支护及维修成本552万元、租赁费25.2万元，增加掘进煤效益685.6万元，共多创造经济效益1298.8万元。

6 结论

(1)近距离煤层上层开采后，在区段煤柱下方附近形成应力集中区，在大埋深工作面显现尤为突出。而在采空区下形成应力降低区，下层工作面两巷应避开应力集中区，布置在应力降低区内。

(2)下位煤层工作面跨上层区段煤柱布置，两巷布置在应力降低区，即利于巷道维护，提高掘进工效，又可避免为单纯避压的内错布置造成的煤柱损失，同时，可减少回采期间工作面超前维护工作量，提高回采工效。

[1] 黄艳利，张吉雄，范军等.近距离煤层回采巷道合理布置方案[J].煤矿安全，2009(9)

[2] 陈炎光，陆士良.中国煤矿巷道围岩控制[M]. 徐州：中国矿业大学出版社，1994

[3] 张蓓,张陟,彭敏. 近距离煤层回采巷道布置合理位置研究[J]. 中国煤炭,2016(5)

[4] 孔德中,王兆会,任志成. 近距离煤层综放回采巷道合理位置确定[J]. 采矿与安全工程学报,2014(2)[5] 杨智文. 极近距离煤层多采空区下巷道稳定性影响因素及支护对策研究[J]. 中国煤炭,2014(4)

[6] 段晓博. 极近距离煤层回采巷道布置方式及围岩控制技术研究[D].太原理工大学,2013

[7] 周楠,张强,安百富等. 近距离煤层采空区下工作面矿压显现规律研究[J]. 中国煤炭,2011(2)

[8] 李斌. 近距离煤层回采巷道布置方式研究[J]. 煤炭工程,2012(S2)

(责任编辑 郭东芝)

Optimizationofminingroadwaylayoutschemeinlowerseamofclosedistancecoalseamswithlargedepthandhighstress

Sun Hailiang

(Pingdingshan Tianan Coal Industry Co., Ltd., Pingdingshan, Henan 467000, China)

TD821.2

A

孙海良. 大埋深高应力近距离煤层下位煤层回采巷道布置方案优化[J]. 中国煤炭，2017，43(9):48-50，72. Sun Hailiang. Optimization of mining roadway layout scheme in lower seam of close distance coal seams with large depth and high stress[J] .China Coal，2017，43(9): 48-50，72.

孙海良(1965-)，男，河南济源人，本科，高级工程师，现任平煤股份开拓处处长。