煤层群遗留煤柱回采巷道布置方案研究

（西山煤电集团西曲矿，山西 古交 030200）

许多矿井由于受赋存条件、开采技术或者地面构筑物的影响，造成部分区域煤层遗留，未进行开采。随着技术的进步和问题的解决，遗留煤柱的开采被重新评估和开采，此类煤层往往处于上下部煤层开采过后的采空区中间。因此，煤层受力比较复杂，巷道的布置更难以确定，因此需对开采煤柱的煤层巷道合理位置进行研究[1-3]。

1 工程概况

西曲矿现计划开采的14308工作面位于南三盘区北部，工作面上覆2#、3#煤12314采空区，下伏8#煤18307采空区。工作面所采4#煤与2#、3#煤层间距约7～12m，平均为9.4 m与8#煤层间距约35～42m，平均37.5 m。14308工作面开采4#煤层，4#煤层厚度不稳定，煤层厚度2.00～3.25m，平均2.80m，煤层结构复杂。4#煤上部普遍含有一层泥岩夹石，将4#煤层分为上下两个分层，夹石厚度变化较大，最厚处可达0.65 m。煤层整体倾向南西，平均倾角3°。上部2#、3#煤层平均厚度为4.28m，下部8#煤层平均厚度为4 m。14308工作面顶底板岩层岩性见表1。

图1 14308工作面相对位置

表1 4#煤层顶底板情况

2 上层煤开采对下层煤（中部）巷道布置影响分析

2.1 上层煤工作面开采最大破坏深度分析

上部2#、3#煤层12314工作面开采后，工作面采空区顶板岩层垮落，势必会对工作面底板岩层造成破坏，若破坏深度较小，则对下部4#煤层的开采影响较小；若破坏深度较大，则对下部4#煤层的开采造成一定的影响，4#煤层工作面需要避开严重影响区布置巷道。因此，首先对12314工作面开采后造成的底板破坏深度进行分析，建立如下力学模型[1]。

图2 2#、3#煤层底板破坏力学模型

根据前人研究可以得到在上部12314工作面开采后的遗留煤柱应力传递影响下，对底板岩层的最大破坏深度见式（1）[4]：

实测西曲矿12314工作面开采后煤壁侧塑性区宽度x0为5.5m，取煤层内摩擦角φ=35°，代入上述公式中，可以得到12314工作面开采后对底板岩层的最大破坏深度为13m，超过了2#、3#煤与4#煤层的层间距9.4m，上部煤层工作面的开采对其下部4#煤层产生了扰动破坏，4#煤层14308工作面巷道布置时需避开上部工作面遗留煤柱应力集中区。

2.2 中部4#煤层巷道错距分析

在选取中部4#煤层巷道位置时，需避开上部2#、3#煤层工作面遗留煤柱集中应力的影响，建立煤柱应力传递模型见图3。

图3 遗留煤柱应力传递模型

分析可知，中部4#煤层14308工作面巷道需要内错距[1]为：

式中：θ为应力传递影响角，取40°；h1为2#、3#煤与4#煤层间距；h2为4#煤厚度。

代入计算可得l=10.3m，因此，仅考虑上部煤层工作面影响时，中部4#煤层14308工作面巷道仅需内错10.3 m布置即可避开上部4#煤层工作面遗留煤柱应力集中区。

3 下部8#煤层开采对中部4#煤层巷道布置影响分析

3.1 下部8#煤层开采“三带”分析

下部8#煤层开采，导致上覆煤岩层发生移动变形破坏。若中部煤层位于下部煤层采空区形成的垮落带内，则不可进行开采；若位于裂隙带内，则可以采取一定安全措施后进行开采。因此，需要对“两带”高度进行计算。采用两带经验计算见式（2）[5]。

式中：H1为垮落带高度，H2为裂隙带高度，m1为下部煤层工作面采高，取4.05 m。

代入可得：下部8#煤层18307工作面开采后，垮落带高度为10.65±2.2m，裂隙带高度为40.18±5.6 m。8#煤层与4#煤层层间距为37.5m，即4#煤层位于8#煤层开采形成的裂隙带内，且在上部影响较小，但仍需考虑由下部煤层工作面开采引起的岩层下沉，尽量避开裂隙发育程度较高的区域。

3.2 中部4#煤层巷道错距分析

图4 采场上覆岩层移动特点

下部8#煤层18307工作面采空后，顶板岩层垮落充满采空区，上覆岩层发生下沉变形，在下沉变形过程中会形成一个采空区边界影响区L见图4，边界影响区包含L1和L2，L1为下部8#煤层遗留煤柱影响区域，此区域内受煤柱应力传递影响，应力较高，不适合布置巷道；L2为下部煤层开采下沉变形裂隙影响区域，受下沉变形影响，此范围内煤层水平位移较大，裂隙发育程度较高，围岩较为破碎，此范围内若布置巷道则难以支护[6]。因此，中部4#煤层巷道需避开此范围进行布置。采空区边界影响区长度由下式进行计算[6]。

式中：α为煤层倾角，取3°；M1为中部煤层与下部煤层之间层间距，取37.5 m；μ为充分采动角，取74°；a为边界角，取80°。

代入计算可得采空区边界影响区L为17 m。其中L1遗留煤柱影响区域为9m，L2下沉变形裂隙影响区域为8 m。

综上所述，中部4#煤14308工作面开采布置巷道时，需综合考虑上下煤层工作面开采垮落的影响。需避开上部2#、3#煤层12314工作面开采遗留煤柱影响区域10.3m，还需避开下部8#煤层18307工作面开采引起的下沉变形区域，其遗留煤柱影响区域为9 m；下沉变形裂隙影响区域为8 m。因此，中部4#煤层14308工作面回采巷道需外错9 m或者内错10.3 m进行布置。

4 巷道位置数值模拟研究

根据西曲矿2#、3#煤层、4#煤层、8#煤层具体地质条件，通过UDEC建立数值模拟模型，开采上部2#、3#煤层12314工作面，待其垮落稳定后，进一步开采下部8#煤层18307工作面，待其稳定后，针对中部4#煤层14308工作面进行巷道位置设计研究，共布置6个巷道方案，分别为外错10m、外错5m、重叠式、内错5m、内错10m、内错15 m。分别记录其巷道变形量，统计、分析得到图5。

图5 不同位置巷道变形量

由图可知，外错式布置巷道围岩变形量远大于内错式布置巷道，内错距离达到10 m左右，巷道变形最小，综合考虑以上分析因素，中部4#煤层14308工作面采用内错式11 m布置巷道。

5 结语

理论计算、模拟分析结果表明：2#、3#煤层12314工作面开采后对底板的最大破坏垂直深度为13 m；其遗留煤柱对中部4#煤层影响区域水平距离为10.3 m；8#煤层18307工作面开采垮落煤柱影响区域水平距离为9m，下沉变形裂隙区域水平距离为8 m；最后通过UDEC数值模拟分别研究了外错、重叠、内错6个巷道布置方案，最终通过多因素分析确定西曲矿14308工作面巷道内错11 m布置。