近距离煤层群采空区下回采巷道合理布置研究

韩帅杰

（北京天地华泰矿业管理股份有限公司，北京 100013）

0 引 言

在我国，各大矿区都存在近距离煤层群开采。在近距离煤层群开采过程中，受上位煤层残留煤柱的影响，下位煤层的采场围岩稳定性遭到一定程度的破坏，且下位煤层回采也会形成矿压，加剧下位煤层采场围岩的破坏，使下位煤层开采工作面易发生灾害。因此，安全有效地布置下位煤层回采巷道是确保工作面安全高效开采的关键，促进煤炭企业的可持续发展具有重要的意义。

学者们进行了大量的理论研究与工程实践。王俊杰[1]针对近距离煤层群开采的地质条件，研究上煤层开采对下煤层的破坏程度的分析与下煤层巷道回采方式，结合现场观测数据及相关理论，提出了“锚网+工字钢”新支护方式，为近距离煤层群下位煤层回采巷道布置及支护提供了新方法。商和福[2]针对近距离煤层不规则遗留煤柱下回采巷道稳定性差、支护困难等问题，采用FLAC3D软件模拟研究了上下煤层工作面回采后不规则煤柱下巷道垂直应力变化规律。任仲久[3]针对残留煤柱下煤层开采出现的下位煤层回采巷道合理布置，分析了近距离煤层开采残留煤柱的底板破坏范围，利用土力学的太沙基理论计算了残留煤柱下底板破坏范围，利用数值模拟研究了残留煤柱作用下外错5 m 布置回采巷道的应力场与塑性区分布情况，最终验证了回采巷道外错5 m 布置的合理性。孔德中[4]针对近距离煤层开采下部煤层回采巷道布置这一难题，对上位煤层开采后造成的底板破坏深度、残留煤柱在底板的应力分布以及巷道在非均布载荷下易于破坏的原因进行研究。

综上，众多学者对近距煤层群下位煤层回采巷道矿压显现规律，巷道合理间距，巷道围岩失稳机理

及控制技术等不同角度进行了大量有益研究，取得了系列性成果。本文以甘沟为工程背景，研究上位煤层开采对下位煤层的影响，通过对比分析不同的巷道布置方式，内错、垂直、外错布置时巷道的适用条件，确定了巷道的合理布置方式，对采空区下采面错距与回采巷道布置进行了研究。

1 工程概况

本文以甘沟为工程背景，矿区面积11.8 km2，矿井采用多水平单采区双翼开采，反斜井开拓。本矿井范围内主要的可采煤层为3 层，分别为B2，B3，B4-2。B4-2 煤层的平均可采厚度为3.13 m；B3 煤层平均可采厚度为3.82 m；B2 号煤层平均可采厚度为4.69 m。矿井煤层倾角平均14°。如图1 为甘沟综合柱状图。

图1 甘沟综合柱状图

2 上位煤层开采对下位煤层的影响分析

B4-2 煤层开采后，顶板发生破断，上覆岩层下沉，导致其应力环境产生变化，使得其底板的应力环境发生改变，造成底板岩体裂隙增加，甚至产生损伤破坏，使得底板岩体的力学性能下降，煤层开采直接影响到了B3 煤层开采过程中的顶板破断特征。因此，了解B4-2 煤层开采后对底板损伤破坏深度的情况，对B3 煤层回采巷道合理布置具有重要意义。根据煤层开采后底板岩体破坏滑移线理论可知[5-6]，B4-2 煤层底板破坏滑移线场如图2 所示。

图2 底板破坏滑移线场

根据B4-2 煤层开采后底板岩体破坏特征分析，利用底板破坏滑移线场，通过滑移线理论的计算公式，得出B4-2 煤层底板岩体最大破坏深度hδ：

式中：M为B4-2 煤层的开采高度；H为煤层的开采深度；K1为煤层底板的应力集中系数，取2.0；γ为上覆岩层的平均容重；Cm为B4-2 煤层的内聚力；φ为B4-2 煤层的内摩擦角；φf为底板岩层的内摩擦角；f为摩擦系数；ξ为三轴应力系数，利用此公式计算得到：

根据本矿井的地质条件与开采方式，相关数据为：煤层埋深H=200 m，上覆岩层的岩石的容重γ= 25 kN/m3，B4-2 煤层的内摩擦角= 30°，B4-2煤层的开采高度M=3.13 m，煤层底板岩层的内摩擦角φf=35°，由上述计算结果可知，B4-2 煤开采造成底板最大破坏深度为18.7 m，远大于B4-2 煤层与B3 煤层的层间距。因此，B3 煤层开采的回采巷道布置要考虑B4-2 煤层残留煤柱造成的应力集中现象与塑性破坏情况的影响。

3 近距离煤层回采巷道合理布置

3.1 下位回采巷道布置方式

近距离煤层回采巷道布置方式主要有3 种，分别是重叠式布置、外错式布置和内错式布置，以下是近距离煤层回采巷道布置方式的优缺点[7-9]。

内错式布置优点：可使下位煤层巷道位于卸压带内，有利于下位煤层巷道顶板围岩的支护与控制；缺点：造成煤层的回采率降低。

外错式布置优点：使得下位煤层工作面之间煤柱宽度减小，展现综采设备优越性，提高采区回采率；缺点：应力集中系数越大，导致巷道顶板易破碎，不易维护。

重叠式布置优点：采出率较高；缺点：靠近煤柱一侧的巷道易产生片帮。

3.2 下位回采巷道合理布置方式的确定

甘沟在开采B3 煤层的过程中，受到B4-2 煤层开采，B3 煤层受到采动影响，造成B3 煤层采场围岩力学环境发生改变。因此，在B3 煤层开采过程中，应该确定巷道的合理布置方式，采取有效的安全措施，加强巷道顶板围岩控制。

综合分析上述优缺点，结合甘沟的实际情况，使用内错式布置方式，使B3 煤层巷道处于低应力区，利于B3 煤层巷道的支护与控制，而且内错式布置的适用范围更适合本矿，因此，选用内错式布置。

3.3 下位回采巷道合理布置参数的确定

上述分析，确定了内错式的布置方式，采用内错式布置常用水平距离确定的经验公式，来计算B3 煤层回采巷道与B4-2 煤层煤柱之间的水平距离[10-11]：

式中：S为B3 煤层回采巷道位置与B4-2 煤层煤柱之间的水平距离；Z为下位煤层回采巷道与上位煤层之间的垂直距离；α为本煤层倾角；β为应力传递影响角，存在θ+β=90°。

根据本矿井的地质资料可知，甘沟煤层倾角为14°，属于缓倾斜煤层开采，B4-2 号煤层与B3 号煤层平均层间距为10.38 m，煤层的应力传递影响角为35°。将上述数据代入公式（2），得到S≥9.7 m，即B4-2 号与B3 号煤层内错的水平距离为大于6.03 m。因此，为减小上位B4-2 煤层开采对下位B3 号煤层开采的影响，确定将内错水平距离确定为6.03 m 以上，从而保证下位煤层回采巷道的稳定控制。

4 下位煤层回采巷道合理布置的数值模拟

利用UDEC 数值模拟软件情况能够非常直观的观察到上位煤层开采遗留煤柱下底板应力演化与裂隙发育情况，通过分析塑性区域分布情况，可以为了回采巷道的合理布置提供依据，具有十分优秀的适用性、可靠性以及科学性。

4.1 模型建立

为了分析B4-2 号煤层残留煤柱在底板造成的应力分布，以甘沟为工程背景，利用离散元UDEC2D模拟软件，模拟B4-2 煤层开采后，残留煤柱下方的底板应力分布规律与不同内错距下开采过程中区段煤柱塑性区分布。数值模型的长度为300 m，高度为120 m。煤层中部留设20 m 煤柱，煤层两侧分别开挖100 m 模拟煤柱两侧采空区。本次模型建立的本构关系为摩尔- 库仑模型，由于开采深度为200 m，上部边界条件为应力大小为5 MPa，模型两边限定初始边界条件，X、Y 方向的速度为零，数值计算模型如图3 所示。表1 为数值模型中各岩层属性参数。

图3 初始模型

表1 煤岩体力学参数

4.2 残留煤柱对底板煤巷布置的影响

图4 为B4-2 煤层开采后残留煤柱的垂直应力分布情况，从中可以看出遗留煤柱的周围应力集中，两侧采空区的应力处于卸压区，底板形成的应力降低区到残留煤柱的水平距离为20 m。受煤柱作用下底板垂直应力演化特征：在煤柱下部不同距离的底板岩层中，煤柱中间位置垂直应力为最大值，从中间至两边区域应力呈递减趋势，煤柱两边一定区域内减小速率最大；位于煤柱下方距离不等的底板岩层上，随着垂直距离的增加，应力分布范围变大，影响程度变小，反之则相反。

图4 残留煤柱垂直应力分布情况

图5 为B4-2 煤层开采后残留煤柱下的水平应力分布情况，从中可以看出，煤柱上方为应力增高区，煤柱两侧的采空区上方为应力集中区域，煤柱下方两侧位置处为应力降低区。图6 为上位煤层开采后塑性破坏情况。从图6 可以看出，B4-2 煤层开采后造成底板岩层的塑性破坏深度最大达20 m 左右，主要集中在煤柱的下方，B4-3 号煤层与B3 号煤层的层间距为10.38 m，B3 号煤层回采巷道布置受到上位残留煤柱的影响，与理论部分计算符合。

图5 残留煤柱水平应力分布情况

图6 上位煤层开采后塑性破坏情况

4.3 不同内错距下开采过程中区段煤柱塑性区分布

B3 号煤层回采巷道不同内错距的塑性区分布如图7 所示。

图7 不同内错距的塑性区分布

由图7 可知，当B3 号煤层回采巷道布置的内错距为5 m 时，上位煤层残留煤柱对B3 煤层影响范围大，而且破坏严重，塑性区域范围很大，当B3 号煤层回采巷道布置的内错距为10 m 时，B3 煤层开采的塑性破坏区域减小，当内错距为15 m 时，B3 号煤层的塑性破坏很小，巷道实体煤的部分形成可稳定承载上覆岩层载荷的区域，使得巷道所处位置承受载荷较小，且离残留煤柱有一定的距离，回采巷道围岩表现出良好的稳定性。

综合残留煤柱下的塑性破坏区分布可知，回采巷道的布置应该选取内错距为15 m 的方案进行布置。

5 现场实测分析

根据以上结论，B4-2 号煤层开采时，留设20 m的残留煤柱，1301 工作面采用内错式布置，采取内错距15 m 的下位煤层巷道布置方式，这样有利于B3 号煤层回采时工作面巷道的维护。为验证甘沟B3 号煤层巷道合理布置，对1301 工作面巷道回采期间围岩变形进行监测，如图8 所示。

由图8 可知，工作面煤层回采期间，巷道顶底板变形量为10～90 mm，巷道两帮的变形量为30～190 mm，随着工作面到煤壁的距离增加，二者的变形量都在减小。通过现场测试结果可知，确定甘沟1301 工作面采用内错距为15 m 的方式布置巷道时，巷道的围岩可保持较高的稳定性，进一步验证B3 号煤层巷道布置采用内错距为15 m 方式为最佳布置方案。

图8 1301 工作面回采巷道围岩变形量

6 结 论

1）利用滑移线理论，通过公式计算得到甘沟B4-2 号煤层开采后，对底板岩层破坏的最大深度为18.7 m，严重影响到B3 煤层的开采，通过介绍下位煤层巷道布置方式，分析该矿合理的巷道布置方式，确定合理的采面错距，选取内错式布置巷道，内错距不小于6.03 m。

2）采用UDEC 数值模拟软件对B4-2 号煤层残留煤柱对底板造成的应力分布情况，得到煤柱影响下的底板应力演化特征：在煤柱中间位置垂直应力为最大值，从中间至两边区域应力呈递减趋势，随着煤柱的垂直位移的增大，应力分布范围变大，但应力环境的影响程度减小。B4-2 煤层开采后残留煤柱造成底板破坏主要集中在煤柱的下方，最大破坏深度达20 m 左右，与理论部分计算符合B4-2 号煤层与B3 号煤层的层间距为10.38 m。因此，B3 号煤层开采收到上位煤层残留煤柱的影响。通过对不同内错距下塑性区域分布情况进行分析，得到内错距为15 m 塑性破坏区域最小。

3）通过工程实践，甘沟B3 号煤层首采工作面采取内错距15 m 的方式进行回采巷道的布置，对现场进行实测，巷道两帮与顶板变形量小，，巷道围岩有良好的稳定性，利用工程验证上述分析的合理性。