近距离煤层复合型顶板下巷道布置方案分析

张 卓

(山西焦煤集团有限责任公司 杜儿坪煤矿， 山西 太原 030022)

杜儿坪煤矿位于山西省太原市，1956年建矿，井田南北宽约6 km，东西长约10 km，面积为68.180 4 km2. 矿井主要可采煤层为6层，即2#、3#、6#、7#、8#、9#煤层，总厚度16.37 m，煤种为贫煤、瘦煤和贫瘦煤。由于矿井2#和3#煤层层间距较小,为4.3 m；3#煤层顶板下部岩层强度低、挠度比上部岩层大，采后大量离层，属复合型顶板；煤层群开采相互影响十分明显。为较大程度降低南九盘区3#煤层在回采期间的巷道围岩压力，需要对该盘区73903工作面轨道巷开展巷道布置方案的研究，并通过围岩应力分析选择科学的巷道掘送位置。本文分别对上部2#煤层回采后底板、3#煤层顶帮、3种巷道布置方案进行了围岩应力研究，从技术角度选取科学方案布置以达到降本增效的目的。

1 73903工作面概况

73903工作面轨道巷位于杜儿坪煤矿南九盘区，巷道位于3#煤层，73903工作面北邻南九盘区3#煤皮带巷，东邻73902工作面(已采)，西邻73904工作面(未采)；上部为72903、72904工作面，现已回采完毕。工作面地面标高1 415～1 580 m；盖山厚度349～534 m，平均埋藏深度449 m. 73903工作面巷道布置图见图1， 图2.

图1 73903工作面巷道平面布置图

图2 73903工作面巷道剖面布置图

矿井南九盘区赋存的2#和3#煤层为近距离煤层，73903轨道巷(3#煤层)布置位于上部72904工作面(2#煤层)采空区下方，73903皮带巷(3#煤层)位于上部72903工作面(2#煤层)采空区下方。73903工作面巷道决定沿3#煤层顶板掘进，全长1 036 m.

2 3#煤层复合型顶板赋存特征

南九盘区73903工作面轨道巷沿3#煤层顶板布置，该煤层厚度为2.6～3.7 m，平均厚度3.22 m，距顶0.7 m左右含一层0.3 m左右的夹石(岩性为砂质泥岩)，煤层倾角1°～8°，平均4°；3号煤层上方伪顶为泥岩，厚度为0.8～2.1 m，平均厚度1.5 m，灰黑色，质较纯，水平层理发育；直接顶为细粒砂岩，厚度为1.3～3.28 m，平均厚度2.1 m，灰白色，以石英长石为主，暗色矿物次之；顶部有一层0.47～1.31 m砂质泥岩，含植物化石，平均厚度0.7 m；再往上是2号煤层，厚度为3.55～3.66 m，平均厚度3.6 m.

3#煤层直接底为砂质泥岩，厚度为5.47～5.71 m，平均厚度5.6 m，灰黑色，上部含砂质较多，含植物化石，层面有滑感；直接底往下为粗粒砂岩，厚度为6.2～11.34 m，平均厚度8.6 m，灰色，以石英长石为主，暗色矿物次之，分选差，含岩屑，胶结疏松，块状构造。

根据复合顶板一般具有的特征，即：煤层顶板是由上“硬”下“软”的不同岩性岩层组成；两个“软、硬”岩层间夹有煤线或薄层软弱岩层；下部软岩层厚度一般在0.5～3 m[1]. 从南九盘区3#煤层73903工作面柱状图(图3)可以看出，3#煤层顶板以0.3 m夹石、1.5 m泥岩、2.1 m细粒砂岩和0.7 m的砂质泥岩为主，距上部2#煤层层间距离约为4.3 m，属于典型的复合型顶板，因此受上部2#煤层开采影响较为明显。

3 3#煤层围岩应力分析

3.1 3#煤层复合型顶板垂直应力分析

在近距离煤层群开采过程中，由于上下部煤层的赋存条件和顶底板岩性差异，当上部煤层回采后，决定下部煤层围岩应力大小的关键是两个煤层的层间距。若煤层层间距较大，则下部煤层受到上部煤层的围岩应力就小，回采过程中巷道变形及工作面带压程度相对较弱；反之则围岩应力较强，巷道掘送、工作面回采、顶板与围岩控制较困难。 此外，若下部煤层为复合型顶板，顶板在受压后产生的变形、离层、漏冒隐患也将增大，承压力将大幅减弱[2-3].

杜儿坪煤矿南九盘区2#、3#煤层是典型的近距离复合型顶板煤层， 当上部2#煤层回采后，下部3#煤层受到的围岩应力将大幅提升。特别是当两个煤层层间距逐步减小，2#煤层在回采过程中对3#煤层顶板的破坏就会逐步增大，同时受2#煤层内采空区矸石充填和区段煤柱的集中压力显现，3#煤层顶板的围岩应力将重新分布并达到新的平衡，这期间要经历“承压、释放压力、压力稳定”3个阶段，3#煤层的顶板结构和围岩应力环境也将发生大幅度改变。

3#煤层顶板深度围岩垂直应力分布图见图4. 由图4可知，当上部2#煤层开采后， 3#煤层顶板受到的垂直应力影响十分明显，顶板垂直应力明显高于原岩应力，呈现“马鞍型”分布，即中间低两边高。随着两个煤层层间距逐步减小，3#煤层顶板垂直应力距原岩应力越来越远、集中程度越来越小、应力峰值越来越大，应力峰值将趋向于“拱形”。经计算,南九盘区3#煤层顶板深度在4.3 m，此时岩层垂直应力最大值为21.8 MPa，说明该盘区3#煤层复合型顶板承受垂直应力较大。

图3 73903工作面钻孔柱状图

图4 3#煤层顶板深度围岩垂直应力分布图

3.2 3#煤层围岩应力分析

对南九盘区3#煤层顶板和巷帮煤岩体的原位强度测试可知，3#煤层顶板砂质泥岩的平均单轴抗压强度为32.46 MPa、细砂岩的平均单轴抗压强度为67.89 MPa. 3#煤层煤体强度为10～22 MPa，平均单轴抗压强度为13.65 MPa. 此外，3#煤层最大水平主应力为13.67 MPa、最小水平主应力为6.94 MPa、顶板垂直应力最大值为 21.8 MPa.

根据应力场相关判断标准：大于30 MPa为超高应力区、18～30 MPa为高应力区、10～18 MPa为中等应力区、0～10 MPa为低应力区。南九盘区3#煤层地应力场属于高应力场，地应力整体数值量较高，作用在3#煤层的地应力场强度较强。此外，3#煤层煤体的单轴抗压强度和水平主应力，远远低于上部煤层产生垂直应力，因此平均厚度4.3 m的3#煤层顶板受到的岩层垂直应力是影响巷道布置的关键。

4 73903工作面轨道巷布置方案

4.1 3种巷道布置方案

根据南九盘区上、下部煤层的围岩应力分析，设计了3种不同巷道布置方案：方案一内错布置，73903轨道巷内错72903尾巷13 m，位于72904工作面采空区下方；方案二重叠布置，73903轨道巷布置在72903尾巷下方；方案三外错布置，73903轨道巷外错72903尾巷15 m，位于上部72903正巷和72903尾巷间煤柱正下方。73903工作面轨道巷布置方案见图5.

4.2 3种巷道布置方案围岩应力分析

方案一：73903轨道巷布置在内错72903尾巷13 m，位于72904工作面采空区下方时，巷道岩层垂直应力值处于原岩应力值以下，属于岩层垂直应力的降低区域，数值低于5 MPa，受到的岩层垂直应力最小。方案二：73903轨道巷布置在72903尾巷下方时，巷道岩层垂直应力值仍处于原岩应力以上，数值在2～17 MPa，平均10 MPa，此时受到的岩层垂直应力仍然较小，属于低应力区。方案三：73903轨道巷布置在外错72903尾巷15 m，位于上部72903正巷和72903尾巷间煤柱正下方时，岩层垂直应力最高，数值处于20～25 MPa，为高应力区；此时岩层垂直应力集中显现，与两个煤层层间距较近、复合型顶板、上部煤柱压力承载大等因素有关。因此，在此种方案施工下，73903轨道巷开掘后巷道围岩破坏严重。不同布置方式下围岩应力对比见图6.

图5 73903工作面轨道巷布置方案图

图6 不同布置方式下围岩应力对比图

对比方案一和方案二可以明显看出,采用方案二时，巷道岩层垂直应力陡然增加，尤其是巷道左帮，垂直应力峰值超过了15 MPa；而采用方案一时，岩层垂直应力低于5 MPa. 不仅如此，采用方案二，巷道左右两帮受力不均衡，表现为巷道左帮应力明显高于巷道右帮，巷道左帮垂直应力大于右帮约10～15 MPa，巷道左右帮应力分布不均、受力不均衡，不利于巷道的使用。

5 结 论

1) 对于近距离煤层群开采，两个煤层层间距的大小是决定下部煤层围岩应力大小的关键。若煤层层间距较小，则下部煤层受到上部煤层的围岩应力就大，回采过程中巷道变形及工作面带压程度相对较强。

2) 复合型顶板下煤层易受到来自顶板受压后变形、离层、漏冒的影响，在布置巷道时应选择岩层垂直应力较低的区域，并做好煤体的原位强度测试，为测算提供理论数据支持。

3) 通过南九盘区73903工作面轨道巷3种布置方案的对比分析，当73903轨道巷采用内错72903尾巷13 m，位于72904工作面采空区下方布置时，巷道处于3#煤层顶板垂直应力的降低区，巷道所受到围岩应力较小，有利于后期巷道的维护和使用。