泰安煤业极近距离煤层回采巷道合理布设位置研究

杜飞雄

(山西煤炭运销集团 忻州有限公司，山西 忻州 034000)

近距或极近距离煤层在我国各大矿区广泛存在，目前主要分为上行开采和下行开采两种开采方式，其中上行开采是指先开采下位煤层，待围岩稳定后进行上位煤层开采；下行开采是指先开采上位煤层，再对下位煤层进行回采[1]。无论下行开采还是上行开采，后开采煤层在先开采煤层采掘扰动和区段煤柱影响下，回采巷道围岩完整性可能遭到一定程度破坏的同时，受区段煤柱应力集中的影响，巷道易发生较大变形，增加了巷道维护的难度和成本，严重制约了工作面安全生产，因此选择合理的回采巷道布设位置尤为重要[2-4]。就下行开采而言，回采巷道布设位置从空间上分为内错式、外错式和重叠式3种，其中内错式布置是指下位煤层巷道布置在上位煤层工作面采空区内侧，该方式使巷道布置在应力降低区内，有利于维护巷道稳定；外错式布置是指下位煤层巷道布置在上位煤层工作面采空区外侧，工作面长度大，回采率高，但受上位煤层区段煤柱应力支承压力作用的影响，巷道变形大，维护难度高[5-6]。

国内学者专家对回采巷道不同布置方式进行了大量研究，得到许多成果。王恩博通过对上位煤层煤柱应力在底板的传递规律的计算和不同错距下巷道围岩应力及变形规律的数值模拟结果，确定了9号工作面回采巷道的合理位置为内错煤柱15 m[4]。贺海鹰通过理论计算和工程类比确定了茨沟营煤矿5 号煤层回采巷道的合理错距为内错5 m，并提出了分段+联合支护的围岩控制措施[5]。李进基于对回坡底煤矿11号煤回采巷道受10号煤采动影响的分析，确定了巷道合理布设位置，降低了巷道支护和维护成本[6]。

本文基于上述研究成果，针对泰安煤业12102回风巷道采用外错煤柱5 m布置时，巷道变形大的情况，通过巷道围岩地质力学测试和数值模拟研究，确定了合理内错煤柱距离为5 m，为类似工作面回采巷道布设位置确定提供了参考。

1 工程概况

泰安煤业目前开采11号煤层和12号煤层，其中11号煤层厚度为1.43～1.95 m，平均1.57 m，煤层倾角3～14°，平均倾角为8°；12号煤层厚度为1.60～8.42 m，平均厚度为3.63 m，煤层倾角3～12°，平均倾角为7°。12号煤层直接底为泥岩，厚度为1.24～7.85 m，平均厚度为4.54 m；老底为S2砂岩，厚度为5.26～39.48 m，平均厚度为22.37 m。11号煤层和12号煤层间距为2.43～7.84 m，平均间距为3.63 m，为典型极近距离煤层。11号煤层11101工作面和11102工作面均回采结束，两个工作面间留设34 m宽的区段煤柱。12号煤层12102工作面布置在11102工作面采空区下方，其中12102回风巷道采用外错煤柱5 m的方式布置，巷道沿12号煤底板掘进，采用矩形断面，断面尺寸为4 500 mm×3 500 mm(宽×高)，设计走向长度1 041 m。上下位煤层相对位置及工作面布设情况如图1所示。

12102回风巷道在掘进420 m期间，巷道出现底鼓和两帮移近现象，矿方决定停止掘进并密闭。半年后，打开回风巷密闭发现，受到12101工作面回采影响，回风巷道250～420 m范围内两帮和底板出现较大变形，巷宽由4 500 mm减至2 000 mm～2 500 mm，巷高由3 500 mm减至1 500～2 000 mm，主要为底鼓。故此，矿方经过充分讨论，决定12102回风巷道自200 m处改为内错煤柱，重新掘进1条巷道，需确定其合理内错煤柱距离。

图1 巷道布置平面图

2 巷道围岩地质力学测试及评估

泰安煤业进行了3个测站的巷道围岩地质力学测试。第1测点布置在11号煤层11102运输巷道中，距辅运巷联巷口75 m处；第2测点和第3测点分别布置在12号煤层上一采区辅运巷900 m和950 m处。分别采用全景钻孔窥视仪和WQCZ-56型围岩强度测试装置对3个测点的地应力、围岩结构和强度进行测试，其中地应力采用第1测点和第2测点两个测点的结果，围岩结构和强度测试采用位于12号煤层巷道中的第2测点结果。

2.1 顶板围岩结构

依据第2测点钻孔观测结果，结合收集到的相关地质资料综合分析可以得到：0～1.9 m为粉砂岩，呈深灰色，钙质胶结，该段岩层完整性较好；1.9～3.6 m为11号煤，黑色，亮煤，煤体完整；3.6～8.9 m为砂质泥岩，岩层呈灰黑色，泥质胶结，其中4.2 m处为泥岩夹层，5.0 m、6.2 m处有明显的横向裂隙，6.2～8.9 m岩层完整；8.9～9.2 m为10号煤；9.2～10 m为泥岩，呈灰黑色，泥质胶结，完整性好。

2.2 顶板围岩强度特征

采用WQCZ-56型围岩强度测试装置，在顶板钻孔内进行了10 m范围煤岩层的强度测试，强度测试结果表明：12号煤层顶板以上0～1.9 m为粉砂岩，岩石强度平均值为66.00 MPa；1.9～3.6 m为11号煤，煤体强度平均值为18.33 MPa。3.6～8.9 m为砂质泥岩，岩石强度平均值为55.67 MPa；8.9～9.2 m为10号煤层，煤体强度平均值为22.79 MPa；9.2～10.0 m为泥岩，岩石强度平均值为34.54 MPa。在帮孔对12号煤层进行煤体强度测试，结果如图2所示。由图2可知，12号煤层煤体强度平均值为14.34 MPa。

图2 煤岩体强度测试结果

2.3 地应力特征

第1测站最大水平主应力为6.54 MPa，最小水平主应力为3.39 MPa，最大水平主应力方向为N38.6°W。第2测站最大水平主应力为7.23 MPa，最小水平主应力为3.92 MPa，垂直应力为6.12 MPa，最大水平主应力方向为N28.5°W。第3测站最大水平主应力为8.65 MPa，最小水平主应力为4.26 MPa，垂直应力为6.12 MPa，最大水平主应力方向为N29.7°W。根据0～10 MPa为低应力区，10～18 MPa为中等应力区，18～30 MPa为高应力区，大于30 MPa为超高应力区的判断标准可知，该区域地应力场在量值上属于低应力值区域。第2测点、第3测点最大水平主应力均大于垂直应力，最小水平主应力为最小主应力。所测区域应力场类型为σH>σV>σh型应力场。由此可知，最大水平主应力对巷道的顶底板影响作用大于对巷道两帮的影响；垂直应力主要影响巷道两帮的受力和变形。

3 巷道合理布设位置数值模拟分析

3.1 数值计算模型

根据泰安煤业12102回风巷道工程地质条件，采用FLAC3D数值计算软件，建立数值计算模型，分别模拟研究内错煤柱5 m、8 m、10 m和13 m进行12102回风巷道掘进时，巷道围岩应力分布特征。综合考虑各方面影响因素，将模型划分为7层，模型尺寸为468 m×50 m×40 m，12102回风巷道断面为5 000 mm×3 500 mm(宽×高)的矩形模型。数值模型共划分为32 200个单元，35 438个节点。模型四周边界限定水平方向位移，模型底部限定竖直方向位移[1,6]，模型顶部施加6.25 MPa的均布载荷以等效上覆岩层，所建数值计算模型如图3所示。

图3 数值计算模型

3.2 不同内错煤柱距离下巷道围岩垂直应力分布特征

图4为不同内错煤柱宽度情况下，巷道围岩垂直应力与距12101采空区侧煤柱边界不同水平距离变化曲线。由图4可知，在一定范围内，随着内错煤柱宽度的不断增加，12102回风巷道围岩垂直应力集中程度越来越小，说明应力环境越来越有利于巷道的稳定。其中，内错煤柱宽度为5 m时，12102回风巷道围岩垂直应力峰值约为15 MPa；内错煤柱宽度为8 m时，12102回风巷道围岩垂直应力峰值约为10 MPa；内错煤柱宽度为10 m和13 m时，12102回风巷道围岩垂直应力峰值均约为5 MPa，变化不大。

图4 不同内错煤柱宽度下垂直应力随距采空区距离的变化曲线

从应力曲线和最大应力值来看，内错煤柱5 m时12102回风巷道位于低应力区。12102原回风巷道密闭打开之后，在200 m、250 m和300 m等3处回采帮，向12102工作面侧施工钻孔，钻孔长度为10 m，对巷道围岩结构进行探测，结果表明各孔前2～3 m煤帮均较为破碎，后7 m左右均较为坚硬，相对完整。综合数值模拟结果、现场钻探和已有工程经验[3]，确定12102回风巷道合理布设位置为内错煤柱5 m。

4 巷道支护方案及支护效果

4.1 巷道支护方案设计

结合12102回风巷道实际生产地质条件和12101工作面回采巷道支护方案，提出采用“锚网索”支护方案对12102回风巷道进行支护，支护断面如图5所示，具体参数如下：

1) 顶板支护。锚杆采用D20 mm×2 400 mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距为1 000 mm×1 000 mm，每根锚杆配合使用K2335和Z2360型低粘度树脂锚固剂各1支，托板采用规格为150 mm×150 mm×8 mm的拱型高强度托板，锚杆预紧扭矩不低于250 N·m。采用规格为4 300 mm×280 mm×3 mm的W钢带和规格为4 700 mm×1 100 mm的钢筋网。锚索采用D17.8 mm×6 300 mm的1×7股高强度低松弛预应力钢绞线，间排距为1 800 mm×2 000 mm，每根锚索配合使用1支K2335和2支Z2360树脂锚固剂，锚索托板采用300 mm×300 mm×12 mm拱形高强托板，锚索预紧力为180～200 kN。

2) 非回采帮。锚杆采用D20 mm×2 400 mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距为1 200 mm×1 000 mm，每根锚杆使用1支Z2360低粘度锚固剂，锚杆预紧扭矩不低于250 N·m。采用10号铁丝编织的菱形金属网护帮，网孔规格为50 mm×50 mm，网片规格为3 000 mm×1 100 mm。

3) 工作面侧帮。锚杆采用D20 mm×2 200 mm的玻璃钢锚杆，间排距为1 200 mm×1 000 mm，每根锚杆使用1支Z2360低粘度锚固剂，锚杆预紧扭矩40 N·m。采用塑料网护帮，网片规格3 000 mm×1 100 mm。

图5 巷道支护断面图

4.2 支护效果

为了掌握12102回风巷道内错煤柱5 m掘进期间巷道围岩变形情况，在12102回风巷道内布设2组巷道表面变形测站，测站间距为50 m，对巷道围岩变形情况进行实时观测，结果表明：内错煤柱5 m并采用上述支护方案对12102回风巷道支护后，巷道顶底板和两帮相对移近量最大值分别为146.25 mm和92.04 mm，且在巷道掘进期间无冒顶、片帮和底鼓现象发生，为12102工作面安全回采提供了保障。

5 结 语

1) 对泰安煤业12102回风巷围岩地质力学测试结果表明：12号煤层煤体强度平均值为14.34 MPa；应力场类型为σH>σV>σh型，即最大水平主应力对巷道的顶底板影响作用大于对巷道两帮的影响；垂直应力主要影响巷道两帮的受力和变形。

2) 采用FLAC3D数值模拟软件，研究了不同内错煤柱宽度下巷道围岩垂直应力分布规律，确定了12102回风巷道合理布设位置为内错煤柱5 m。

3) 提出了“锚网索”支护方案并设计了支护参数，现场应用结果表明：12102回风巷道内错煤柱5 m掘进并进行支护后，巷道顶底板和两帮相对移近量最大值分别为146.25 mm和92.04 mm，且在巷道掘进期间无冒顶、片帮和底鼓现象发生，巷道围岩变形得到较好的控制。