近距离煤层回采面下伏大巷减压掘进技术

周艳国

(开滦(集团)有限责任公司东欢坨矿业分公司，河北 唐山 063000)

随着开滦矿区开采强度和煤炭产量的不断提高，开采深度不断增加，煤层开采的地质条件越来越复杂，特别是近几年来的高强度开采，使采深不断加大，出现了矿井深部的巷道支护困难的问题。开滦集团东欢坨矿现开采煤层属于近距离煤层群，开采过程中矿压显现剧烈，巷道围岩变形量显著增加，围岩内部出现非连续性破裂现象，支架变形损坏严重，巷道返修工程量大，巷道维护异常困难等问题[1-3]。同时，由于近距离煤层群回采面下伏大巷的掘进支护设计过程中，往往采用工程类比的方法，缺乏对巷道围岩自身状况的清晰认识，导致巷道掘进及支护设计缺乏科学的依据。为此，本文通过理论和数值模拟的方法定量研究了-690水平回风大巷掘进与上方9煤2393工作面回采不同时空关系下，即先掘后采和先采后掘两种状况下，巷道围岩的变形破坏状况，对比分析得到合理的采掘顺序，为-690水平回风大巷的巷道布置及减压掘进提供设计依据。

1 工程概况

开滦集团东欢坨矿位于开平煤田西北侧，矿区东南翼走向13.5km，倾向宽3km；西北翼走向长8km，倾向宽0.5km，井田面积40.5km2。东欢坨矿井1988年开工建设，现生产能力达到300万t/a。采用立井多水平阶段石门开拓，划分为-500m水平、-690m水平、-950m水平和-1200m水平。其中目前生产水平为-500m水平，-690m水平为延深水平，-950m水平和-1200m水平矿井后期开发水平。现开采煤层为8煤、9煤、11煤以及12-2煤层。

1.1 回采面与下伏预掘巷道位置关系

东欢坨矿2393工作面位于南一采区，该工作面可采走向长度1481m，工作面倾向长度179m。2393工作面上方无采掘工程，其下层巷道-690水平回风巷为预掘巷道。2393工作面及-690水平回风巷位置关系如图1所示。根据现场地质资料分析可知，-690水平回风巷位于2393工作面正下方约30m处，-690水平回风巷距2393风道的水平距离约为125m，距2393运道的水平距离约为55m。

图1 2393工作面及-690水平回风巷位置关系图

1.2 2393工作面基本情况

2393工作面开采煤层为9煤，煤层稳定，结构较简单，物理特性为光亮型煤，粉末状。工作面最小煤厚为2.8m，最大煤厚为5.5m，平均4.7m。煤层倾角19°～23°，平均21°。工作面顶底板岩性情况见表1。工作面风道、运道及风道运煤联络巷均沿9煤底板掘进，巷道采用29U型14.0m2金属拱型支架支护，支架间距取600mm。

表1 2393工作面顶底板情况

1.3 -690水平回风巷基本情况

东欢坨矿-690水平回风大巷布置在-690水平，为预掘巷道，巷道支护形式初步设计主要采取锚网索喷支护形式，顶板破碎及淋水较大地段采用锚网架喷支护。锚杆采用Ф20mm×2000mm的等强螺纹钢锚杆。锚索托梁：选用25U型钢加工，长度不小于800mm。锚架喷支架采用29U金属支架。钢筋网：采用Ф6.5mm钢筋焊制，规格500mm×800mm，全断面铺设。

-690水平回风大巷开口层位以12-2煤为顶板，岩性为深灰色粉砂岩，条带状外观，泥质胶结；首先施工斜石门，方位N333°，设计斜石门平距105.8m，预计开口前43.5m见12-1煤，煤厚2.5m，12-1煤顶板岩性为灰色粉砂岩，条带状外观，终口层位为11煤，煤厚2.5m；其次施工11煤回风大巷，方位N33°，设计长度583.3m，11煤伪顶为腐泥质粘土岩，厚1.0m左右，11煤底板岩性为灰色细砂岩，岩石较坚硬。岩层柱状图如图2所示。

图2 岩层综合柱状图

2 下伏大巷减压掘进方案及理论分析

由于-690水平回风大巷与上方2393工作面距离较近，-690水平回风大巷掘进时必将受到上方回采工作面的影响，经分析-690水平回风大巷掘进时存在两种方案：方案一，上方2393工作面回采完成后掘进下方-690水平回风大巷；方案二，下方-690水平回风大巷掘进后，再进行上方2393工作面回采。针对这两种方案，首先采用理论定性分析2393工作面开采对-690水平回风大巷围岩稳定性影响以及探讨合理的采掘顺序。

通过分析工作面回采过程中矿压应力分布情况可知[4，5]，若采取方案二，先掘进下方-690水平回风大巷，再回采上方的2393工作面，当进行上方2393工作面回采时，采动矿压最终应力峰值位置正好处于-690水平回风大巷上方附近，容易造成-690水平回风大巷顶板产生应力集中，在此过程中，大巷将受到工作面采动影响，不利于巷道维护。而如采取方案一，先回采上方的2393工作面，再掘进下方-690水平回风大巷，当上方2393工作面回采后，工作面顶板岩层应力重新分布，-690水平回风大巷正好处在上方2393工作面采空应力降低区，即减压区，如图3所示，这时进行-690水平回风大巷的掘进，有利于巷道支护[6-8]。

图3 减压开采后掘进巷道顶板岩层应力分布图

3 下伏大巷减压掘进方案模拟研究

根据现场工程实践需要，通过数值进一步定量研究-690水平回风巷掘进与上层2393工作面回采不同时空关系下，即先掘后采和先采后掘两种状况下，巷道围岩的变形破坏状况，对比分析得到合理的采掘顺序，以便于巷道稳定性维护[9-12]。

3.1 模型的建立

计算模型沿X方向长度为300m，沿Y轴方向长度为50m，沿Z轴方向高度为220m。9煤顶部离模型顶边界平均距离为150m，9煤底部离模型底边界平均距离为65.5m，模型设置9煤层厚度均为3.2m，9煤层平均倾角为20°，模型上方按至地表岩体的自重施加垂直方向的荷载。模型埋深为300m，在模型顶部加荷载7.5MPa。本次模拟根据现场地质调查和相关研究提供的岩石力学试验结果，采用的煤岩力学参数见表2。

表2 计算模型物理力学参数列表

本模拟主要是针对工作面不同开采顺序对煤层下方巷道支护效果的影响进行模拟，因此，设计先掘后采、先采后掘两种方案进行模拟研究。

3.2 模拟结果分析

3.2.1 方案一：先掘后采

先掘后采方案为首先掘进-690水平回风巷，一段时间后，进行2393工作面回采，所得巷道围岩塑性区及竖直应力分布如图4、5所示。

图4 先掘后采方案-690水平回风巷围岩的塑性区图

图5 先掘后采方案-690水平回风巷竖直方向应力分布图

由图4分析可知：① 2393工作面开采完成之后，巷道围岩的塑性区深度大于1.5m，其中巷道的右帮部塑性区达到3.0m；② 当上方2393工作面回采时，由于-690水平回风巷受到工作面采动压力作用影响，使围岩的潜在的松动区和某些原有的软弱结构面屈服，导致巷道围岩的塑性区向围岩深部扩展，特别是巷道顶板位置处破裂较为严重。

由图5分析可知：① 当-690水平回风巷道掘进完成后，巷道围岩应力集中区域在巷道的帮部以及顶底板处，最大应力集中发生在巷道的帮部，最大集中力为-24.4MPa；② 当上层2393工作面煤层开采完成之后，即此时下层-690水平回风巷处于卸压状态，巷道围岩应力云图较2393工作面开采时发生了很大变化，应力集中同样发生在巷道两帮及巷道顶底板处，最大应力集中区域为巷道的帮部，最大集中应力为-2.7MPa，较2393工作面未开采时的最大集中应力降低了近10倍，同时巷道底板处出现了拉应力情况。

3.2.2 方案二：先采后掘

2393工作面回采完成之后竖直方向应力分布图如图6所示。2393工作面回采完成之后，工作面顶底板处于卸压状态，在工作面底板岩层中进行巷道掘进，-690水平回风巷道设计位置处的竖直方向应力为0.3MPa，而-690水平回风巷原岩应力约为11MPa，可见，2393工作面开采完成之后，拟掘进巷道位置卸压明显。

图6 2393工作面回采后竖直方向应力分布(MPa)

通过模拟研究先采后掘方案，得到-690水平回风巷围岩的应力和塑性区分布图，如图7所示。分析图7可知：① 先采后掘时，-690水平回风巷道围岩顶板处于卸压状态，巷道的应力集中区域在巷道帮部及底板处，其中右帮部靠近下方的最大应力集中为-2.2MPa，巷道底板出现拉应力，最大拉应力为0.5MPa，可能是由于巷道围岩在侧压力的影响下，巷道底板有向上鼓起的趋势；② 先采后掘时，塑性区明显产生于巷道帮部和巷道底板处，且面积较小，只有在右帮部和帮部的底角处有明显塑性区产生。分析原因可能是上方2393工作面开采完成之后，-690水平回风巷的围岩处于卸压状态，当在一个卸压状态下的岩层中进行掘巷时，掘巷所引起的应力释放较小，释放的弹性能较小，最终导致巷道围岩的塑性区较小。

图7 先采后掘方案-690水平回风巷围岩 应力和塑性区分布图

3.2.3 综合分析

为研究开采顺序对巷道支护围岩变形的影响程度，确定合理的开采顺序，需对两种方案模拟所得的结果进行综合对比分析，两种方案所得的围岩应力、塑性区分布状况以及巷道顶板下沉量统计见表3。

表3 两种方案的围岩应力、塑性区分布以及巷道顶板下沉量统计表

由表3综合对比分析可得：①两种方案所得的巷道围岩应力集中区域相似，都发生在巷道的帮部，原岩应力下掘巷所得的最大集中应力为-24.4MPa，先掘后采方案所得的巷道围岩最大集中应力为-2.7MPa，先采后掘方案所得的巷道围岩最大集中应力为-2.2MPa，先采后掘方案所得的巷道围岩应力集中程度较小，但是两者相差不大；②先掘后采方案所得的巷道围岩塑性区深部为3.0m，先采后掘方案所得塑性区深度为0.5m，先采后掘所得塑性区范围明显比先掘后采方案所得塑性区要小，现场应用时优先采用先采后掘方案；③先采后掘方案巷道顶板顶板下沉量为22cm，先掘后采方案时顶板下沉量为65cm，先采后掘方案得到的巷道顶板位移量比先掘后采方案小66%，比原岩应力状态下得到的顶板位移小50%。

综合研究分析可知，在同等条件下，下层-690水平回风巷优先采用先采后掘的减压掘进方案。

4 结 语

东欢坨矿井-690水平回风巷采用了先采后掘的减压掘进方案，降低了巷道复修工程量，减轻了工人劳动强度，保障了工人人身安全，降低了生产成本，为实现开滦集团安全、科学开采，提供有力的技术支持，对同类型的其他深井软岩巷道工程具有一定的借鉴意义，给开滦集团带来了一定的经济效益和社会效益。