近距离煤层采空区下回采巷道布置方式研究

杜艳春

（山西汾西矿业（集团）有限责任公司灵北煤矿，山西 灵石 031302）

1 概况

宜兴煤业可采煤层2#煤和2#下煤的层间距为5.50～9.00m，平均约7.3m，属近距离煤层。2#煤层煤厚0～4.50m，平均厚度1.63m，现井田范围内大部分已回采完毕，开采方法为综合机械化走向长壁后退式采煤法，一次采全高，全部垮落法管理顶板。为节约煤炭资源，工作面之间留设宽度为5m的区段煤柱。2#下煤层厚度0.30～2.00m，平均厚度1.40m，结构简单，属近水平煤层。顶板多为泥岩或砂质泥岩，厚度3.50～8.20m，平均5.80m，节理、裂隙较发育，属中等冒落性的顶板；底板多为泥岩、砂质泥岩，局部见有细粒砂岩，厚度1.00～3.80m，平均2.50m，节理、裂隙不发育。

2#下煤层布置的首采面为1201-2工作面，位于2#煤层首采面1201工作面采空区下方，北部紧邻工业广场保护煤柱边界，南部为1202工作面采空区。1201工作面与1202工作面之间东部有一长轴约130m、短轴约85m的陷落柱（编号W1-5），两工作面回采期间分别开掘了绕巷绕过此无炭柱开采。

近距离煤层下位煤层工作面回采巷道的布置方式主要有外错式、内错式、垂直式三种，在2#煤层留设5m区段煤柱的情况下，2#下煤层回采巷道（宽度4.5m）若采用外错式布置，则巷道基本与煤柱垂直，受煤柱的集中应力影响，势必造成巷道的围岩变形量和维护量大幅增高，不利于工作面的安全高效开采，因此只针对内错与垂直两种布置方式进行对比分析。

2 回采巷道合理布置分析

（1）理论计算

利用弹性力学理论，在均布载荷条件下，煤层底板应力在煤层底板岩层内随着远离煤柱而逐渐衰减，其影响范围可简化为两条直线包络下的范围。结合宜兴煤业2#煤层及2#下煤层的具体地质条件，影响角θ取35°，2#下煤工作面的回采巷道必须布置在该影响线以外的范围，才能避开2#煤层开采后遗留的区段煤柱压力的影响，即：

式中：

L0-2#煤层遗留煤柱与2#下煤层回采巷道的水平间距，m；

h1-2#煤层及2#下煤层的层间距，7.3m；

h2-2#下煤层回采巷道的高度，2.7m；

θ-应力影响角，取35°。

计算得L0≥7.00m。而2#煤层回采巷道宽度为B=4.5m，则2#下煤层回采巷道相对2#煤层回采巷道的内错距为：

即，为避开2#煤层开采后遗留的区段煤柱集中压力的影响，2#下煤层回采巷道相对2#煤层回采巷道应至少内错2.5m布置，考虑1.5倍的安全系数，将内错距定为不小于3.75m。

（2）数值模拟分析

根据矿井地质条件，采用UDEC建立工作面开采模型，模拟范围均取418m×100m（走向×倾向）。围岩物理力学性质参照该矿工作面实际岩体力学特性。节理特性考虑采动影响，围岩本构关系采用Mohr-Coulumb模型。模型的上边界为应力边界，根据覆岩厚度施加均布载荷，左、右、下三个边界为位移固定约束边界。

模拟2#下煤工作面相对2#煤工作面按内错（内错距离2m、4m、6m、8m、10m、15m、20m）、垂直两种布置方式，共分8个模拟方案，各方案中2#下煤工作面回采巷道的变形情况模拟结果对比情况如图1所示。

图1 不同布置方案的巷道围岩变形量对比

从图1可以看出，垂直布置时围岩变形量最大，随着2#下煤回采巷道相对2#煤工作面内错距离的增大，2#下煤巷道所处位置的应力值逐渐减小，围岩变形量及塑性区逐渐减小，相同的锚杆支护参数对巷道围岩控制的效果逐渐明显。

从提高采区回采率的角度看，内错距离越小，2#煤回采时留设的区段煤柱越小，浪费的煤炭资下源就越少。

从保持巷道长期稳定的角度看，应将巷道布置在煤柱下方的低应力区域内，内错2m时，模拟结果显示巷道未完全处于低应力区域，靠煤柱一侧的帮部（右帮）变形较严重，而内错4m时，巷道处于低应力区域内，左右两帮的变形量较均衡。

因此，在布置2#下煤回采巷道时应选用内错4～6m的布置方式，与理论分析结果基本一致。

3 实测结果与分析

（1）采空区下回采巷道布置

2#下煤层1201-2工作面回采巷道布置情况如图2所示，其运输顺槽相对上方2#煤层的1201工作面运输顺槽内错5m布置，材料顺槽相对1201材料顺槽内错46m布置，相对1201工作面过W1-5陷落柱的绕巷为垂直布置（长度约160m），使1201-2工作面回采时避开此陷落柱影响。

1201-2运输顺槽和材料顺槽永久支护均采用锚网梁索联合支护，支护材料为螺纹钢锚杆（顶板）、圆钢锚杆（两帮）、圆钢钢带、钢绞线、金属菱形网等。

图2 2#下煤层1201-2工作面回采巷道布置

（2）测点布置

在1201-2工作面运输顺槽、材料顺槽及材料顺槽与1201工作面绕巷垂直布置段各设置了5个测站，如图2所示。相邻测站沿巷道走向间距20m，每个测站设置一个围岩变形监测断面，采用十字布点法，在顶板、底板和两帮中部各布置一个测点，观测工作面回采过程中巷道围岩变形情况，包括顶底板相对移近量及变形速度、两帮相对移近量及变形速度。用钢卷尺或测枪测读AB、CD值，读数精确到1mm，并记录测站至工作面的距离。距工作面50m之内的测站，每天观测一次，50～200m之内的测站每两天观测一次。

（3）观测结果分析

1201-2运输顺槽的围岩变形情况如图3所示，巷道围岩变形速度较小，平均在6～8mm/d左右，当测站距离工作面0～30m范围时，由于工作面超前支承压力的作用，围岩变形速度增大。整体来讲，支护效果较好，围岩变形量不大，顶底板累计相对移近量平均182mm，两帮累计相对移近量平均147mm。

图3 1201-2运输顺槽（内错5m布置）围岩变形速度和变形量

1201-2材料顺槽与1201绕巷垂直段的围岩变形量、变形速度曲线如图4所示。围岩变形量和变形速度相对内错5m布置时明显变大，顶底板累计移近量平均479mm，两帮累计移近量平均373mm，出现了较为明显的底鼓、帮鼓及顶板破碎、下沉现象。围岩变形速度平均10～14mm/d。

图4 1201-2材料顺槽（与绕巷垂直布置）围岩变形速度和变形量

1201-2材料顺槽（内错46m布置）的围岩变形情况如图5所示，巷道围岩变形速度与变形量均较小，变形速度平均在3～5mm/d，两帮累计相对移近量平均122mm，顶底板累计相对移近量平均127mm。

图5 1201-2材料顺槽（内错46m布置）围岩变形速度和变形量

三种布置方式的巷道围岩变形速度与变形量对比见表1。

表1 不同布置方式时的巷道围岩变形情况

三种布置方式中，垂直布置时巷道围岩变形较为严重，对巷道的正常使用及回采期间端头支护和安全出口维护工作造成了一定影响，个别地段需进行加强支护；内错5m及内错46m布置时巷道围岩变形量均较小，都满足使用要求。

4 结论

（1）通过理论计算和数值模拟分析得出，2#和2#下煤层工作面回采巷道采用相对2#煤层回采巷道内错4～6m的布置方式较为合理。

（2）对2#下煤层的1201-2工作面两条回采巷道采用内错5m、内错46m、垂直三种布置方式时围岩变形情况的实测结果表明：垂直布置时巷道围岩变形量和变形速度较大，实际应用中需进行加强支护方可满足使用要求，内错5m布置时围岩变形量和变形速度较小，内错46m布置时最小，两种内错布置方式的巷道支护效果均较好，未出现强烈的矿压显现。

（3）由于2#煤层与2#下煤层的层间距较小且岩层较为软弱，为提高安全性，同时减小煤柱损失、提高资源回收率与经济效益，2#煤层开采时工作面最适宜的布置方式为内错4～6m布置。