近距离煤层采空区下动压回采巷道合理布置研究

李世勇

（陕西华电榆横煤电有限责任公司，陕西 榆林 719000）

近距离煤层群开采方式分为上行开采和下行开采两种。上行开采主要是针对下部煤层开采后上部煤层的变形和破坏特征、下部煤层开采对上部煤层的采动影响空间关系等的研究。而下行开采方式中上部煤层开采对下部煤层开采会造成很大的影响，采动影响和围岩应力与单一煤层开采有相似之处但也有很大的不同，下部煤层回采巷道难以维护，对于回采巷道的合理布置位置和巷道支护技术至关重要。

29205工作面回采巷道受到上覆8#煤采空区的影响，同时，29205工作面的回采巷道掘进期间，上区段29204工作面进行回采，围岩活动频繁，矿山压力显现比较显著，两种因素相互叠加，造成29205工作面的开采条件十分复杂。因此针对上覆煤层采空区和上区段工作面动压双重因素影响下，研究29205工作面回采巷道合理位置以及巷道支护参数，保障29205工作面顺利回采，具有重要意义。

1 工程概况

29205工作面正巷主要担任出煤回风的任务，该巷道沿9#煤层顶板布置。9#煤层厚度在1.8m～2.38m之间，平均厚度为2.2m，煤层结构复杂，含矸1层，厚度在0.1m左右。29205工作面煤层整体倾向西南，倾角2～7°，一般为3°。9#煤层直接顶是厚度为0.22～0.5m的泥岩，薄层状，随掘随冒；直接顶上方是平均厚度为4.33m的砂质泥岩；砂质泥岩上方是3.86m的细粒砂岩，细粒砂岩上方是平均厚度为4.05m的8#煤层；8#煤层上方是3.86m的石灰岩和5.29m的砂质泥岩。目前北二采区8#煤和9#煤层平均的层间距大约为7.4m左右。9#煤直接底为2.17m的砂质泥岩；砂质泥岩下方是3.10m的细砂岩；细砂岩下方是1.89m的炭质泥岩；炭质泥岩下方是3.35m的粉砂岩。考虑到掘进过程中设备尺寸，通风要求和巷道围岩变形预留量，设计北二采区29205工作面正巷掘进断面尺寸：矩形巷道断面，宽4.0m，高2.4m，掘进断面积9.6m2。

2 巷道围岩地质力学测试

1）围岩结构观测。采用全景钻孔窥视仪对9#煤层顶板进行围岩结构观测，结果显示，钻孔0-3.1m为泥岩，岩层呈深灰色，泥质胶结，岩石较为松软，强度低，开孔0-0.9m处破碎严重。3.1-4.8m为砂质泥岩，灰黑色，该段较为完整。4.8-5.2m为煤线，黑色，煤体软弱。5.2-7.8m为泥质砂岩，岩层呈灰白色，砂质胶结，该段孔壁裂隙发育，其中5.8m、6.3 m、6.9m裂隙明显，6.4-7.8m破碎。7.8-12.1m为8#煤，该段煤体松软裂隙发育，完整性差。12.1-16.9m为石灰岩，岩层呈灰黑色，致密坚硬，该段有少量微裂隙。16.9-21.4m为细砂岩，呈深灰色，砂质胶结，岩层完整。

2）围岩强度特征。利用围岩强度测试装置对9#煤及顶板以上10m范围内的煤岩体进行原位强度测试，结果显示，9#煤煤体的平均抗压强度为11.13MPa；9#煤顶板0-3.1m为泥岩，平均抗压强度为33.88MPa；3.1-4.8m为砂质泥岩，平均抗压强度为33.62MPa；4.8-5.2m为小煤，平均抗压强度为14.35MPa；5.2-7.8m为泥质砂岩，平均抗压强度为42.06MPa；7.8-10m为8#煤，煤体平均抗压强度为13.41MPa。

3）应力场特征。地应力测量结果表明，西曲煤矿9#煤测站最大水平主应力为10.6MPa，最小水平主应力为5.63MPa，垂直应力为3.3MPa，属于低应力区，最大水平主应力方向为N47.7°E。

图1 数值模型图

3 巷道位置布置数值模拟

3.1 模拟方案

根据矿井实际工程地质状况建立如图1所示数值模型图。综合分析，决定采用三种不同设计方案进行对比分析。

方案具体内容如下：方案一采用内错布置，内错距离为中对中10m煤柱，实体煤柱为6m，如图2（a）所示。方案二采用内错布置，内错距离为中对中7m煤柱，实体煤柱为3m，如图2（b）所示。方案三采用重叠布置，将29205工作面正巷布置在28205工作面正巷的正下方，如图2（c）所示。

图2 数值模拟方案

通过采用上述三种不同方案进行综合对比，模拟29205正巷采用不同布置方式及不同内错距离条件下，巷道围岩变形特征及应力分布规律，掌握29205正巷巷道受力特征，为选择巷道合理内错距离以及合理的支护形式与参数提供依据。

3.2 模拟结果分析

1）8#煤层开采对9#煤层的影响。

图3 垂直应力场

如图3围岩垂直应力场所示，当上部8#煤层28205工作面和28204工作面回采之后，在8#煤层采空区的上方和下方均出现了垂直应力降低区，此时将9#煤层工作面布置在应力降低区对巷道受力和维护是十分有利的。但是，在8#煤层保护煤柱上垂直应力发生明显的应力集中效应，同时垂直应力也向下扩展延伸，对9#煤层产生较大的影响，如果将9#煤层巷道布置在垂直应力增高区，此时下部煤层巷道受上部巷道垂直应力的影响，巷道围岩变形和破坏将十分严重，巷道的维护十分困难。

图4显示的是8#煤层工作面回采后围岩塑性破坏分布情况，可以看出上覆8#煤层回采之后，采场和煤柱围岩发生了大规模的破坏，值得注意的是在8#煤层保护煤柱的下方煤体竟也发生了一定程度的塑性变形区（黑色方框中的部分），这是由于高煤柱应力作用下造成的，而该区域正好位于采用重叠布置时巷道的空间位置，显然后续9#煤层巷道布置应该避开此区域。因此，不建议29205工作面正巷采用重叠布置方案。

图4 围岩塑性破坏分布

2）29205正巷掘进期间巷道变形及破坏分析。

如图5是29205正巷在掘进后受到8#煤残留煤柱影响下围岩垂直应力场分布情况，图6是29205正巷掘进后围岩塑性破坏区分布情况。

图5 围岩垂直应力场分布

当29025正巷采用方案一，即采用内错10m布置时，此时巷道全部处于上覆8#煤层采空区的应力降低区内，巷道所受到垂直应力很小，基本维持在2MPa以内，并且此时巷道围岩塑性破坏区也很小，仅仅在顶板边角和右帮有局部发生塑性破坏，但破坏程度较小。

图6 正巷掘进围岩塑性破坏区分布

当29025正巷采用方案二，即采用内错7m布置时，此时巷道围岩垂直应力在2～4MPa范围内，这是由于采用方案二煤柱尺寸有所减小造成的。从巷道围岩的塑性变形情况来看，此时巷道在顶板上方有一定产生一定范围的塑性破坏，破坏深度大约顶板深度的0.5m范围内，相比较方案一也有了一定程度的增加。但是总体来说，方案二巷道围岩的应力环境也较利于巷道的稳定和维护。

3）29204工作面回采动压影响分析。

图7 方案一回采前后正巷垂直应力场分布

图8 方案二回采前后正巷垂直应力场分布

如图7所示，采用方案一时，29205正巷在29204工作面回采前后围岩垂直应力场差异很小，说明在此种条件小，29204工作面回采对29205正巷的动压影响较小。如图8所示，采用方案二时，29204工作面回采后29205正巷的垂直应力分布相对回采之前发生一定的变化，首先是垂直应力的峰值有所增加，从回采之前的 2～4MPa，增加至 2～8MPa，应力场峰值增大的同时分布也有所改变，可以看出，回采之后29205正巷靠近煤柱帮的巷道应力远高于左帮，且分布不均，靠近右小角的位置应力较为集中，也是未来巷道支护的重点。

4 围岩控制分析

经上述数值模拟分析，特对方案一和方案二进行巷道支护设计，从支护成本消耗和围岩控制效果方面综合对比分析。

表1 方案一内错10m时支护所需费用

表2 方案二内错7m时支护所需费用

通过表1、表2分析对比，可以看出，采用方案二内错7m时29205工作面的正巷一次材料消耗的费用为975.51元/m，相比较方案一的材料成本为954.96元/m，支护成本增加了20.55元/m。这主要是方案一的支护方案顶板未采用铺设菱形网，方案二增加了铺设菱形网导致费用有所增大。

同时方案二巷道支护排距由方案一的1m增大为1.1m，支护密度减小，通过加大了锚杆锚索预应力以及扩散效果，在保证巷道安全的前提下，提高了巷道掘进速度。方案二采用内错7m布置，比方案一可多采3m煤柱，整个工作面可多采出原煤9000t，可提高煤炭资源采出率，经济效益突出。

综合分析围岩应力分布、巷道变形破坏特征、支护成本、煤炭采出率等因素，确定29205正巷采用方案二内错7m布置方式。

5 结 论

1）通过围岩地质力学测试和数值模拟方法，综合考虑29205巷道围岩应力分布、变形破坏特征、支护成本以及提高煤炭采出率等，确定29205正巷采用方案二内错7m布置于8#煤采空区下方。

2）29205正巷顶板采用锚网索支护，锚杆规格Φ22mm×1800mm，间排距850mm×1100mm，锚索规格Φ17.8mm×5300mm，排距3300mm；两帮锚杆间排距1200mm×1100mm。该支护方式增大了锚杆锚索预应力以及扩散效果，保障了巷道安全掘进。

3）内错7m布置可减少煤柱尺寸3m，多采出煤炭约9000t，创造经济效益约300万元。