近距离煤层变层间距开采下位煤层巷道合理位置研究

刘晓明，李铁峥，雷学涛，黄海鹏，李 杨，任玉琦，王文迪

(1.国家能源集团宁夏煤业有限责任公司 梅花井煤矿，银川 宁夏 751400；2.中国矿业大学(北京)能源与矿业学院，北京 100083)

随着浅部煤炭资源逐渐趋于枯竭，矿井深部延伸已成为资源开发的必然趋势[1-3]。进入深部开采阶段后，地质条件复杂、岩体破裂程度加剧、地应力增大、地温升高等问题显著。对于近距离煤层开采，由于下位煤层受到上位煤层开采以及煤柱的影响，其巷道的矿山压力显现明显[4-10]，矿井安全问题更为突出。因此，合理的下位煤层巷道位置对保障下位煤层安全高效开采有着极其重要的意义。

针对近距离煤层下位煤层巷道合理位置的确定，专家学者进行了大量的研究。孔德中等[11]通过理论分析和数值模拟的方法，得到了残留煤柱底板应力场具有明显的非均匀分布特征，分析了巷道在非均匀载荷作用的变形破坏特征，进而确定了下位煤层巷道的合理位置；何富连等[12]基于主应力差确定了遗留煤柱影响下下位煤层巷道的合理位置，并给出了合理的巷道支护方案，现场应用效果良好；魏炜杰等[13]采用PFC模拟的方法，探究了急倾斜煤层水平分段综放开采巷道位置与残煤形态、煤炭采出率的关系，确定了急倾斜煤层底板巷道的合理位置；盖德成等[14]分析了遗留煤柱效应下底板冲击破坏机理，认为底板最大破坏范围仅与煤柱宽度和底板岩层内摩擦角有关，确定了巷道的合理位置，避免了巷道冲击地压发生的力源；王厚柱等[15]利用直流电法探测了深部近距离煤层开采底板破坏深度，发现先开采上煤层比直接开采本煤层的底板扰动程度更低；索永录等[16]探究了极近距离煤层下位煤层巷道采用内错、重叠、外错布置时的破坏、变形与应力特征，综合确定了巷道的合理内错距；马振乾等[17]研究了近距离煤层重复开采过程中底板应力的演化规律，认为底板应力的分布具有明显的周期性波动现象，并针对性的提出了巷道合理支护方案；王连国等[18]基于工作面走向和倾向支承压力分布规律建立了采场底板应力分布模型，探究了底板煤岩层的应力分布特点，结合微震监测确定了采场底板的破坏范围。大多数学者对单一层间距近距离煤层巷道布置有一定研究，然而在煤层地质沉积作用下，近距离煤层在同一个采区，乃至同一个工作面中的煤层厚度、层间距离、层间岩性等差异较大，将呈现出不同的破坏范围与应力特征表现不同。因此，本文以鸳鸯湖矿区梅花井煤矿23采区232204工作面为研究对象，综合运用理论分析、现场实测与数值模拟的方法，确定了下位煤层回采巷道的合理位置，为23采区的深部延伸提供了指导意义。

1 工程概况

宁夏回族自治区鸳鸯湖矿区梅花井煤矿23采区煤系地层主要包括2层可采煤层，分别为上位2号煤层与下位3号煤层。结合矿井水文地质可知，2号煤层与3号煤层间距在23采区中变化范围大，层间距最小约为0.87 m，最大约为18.18 m，如图1所示。232204工作面是23采区的第二个工作面，其走向长度1616 m，倾向长度302.7 m，地面标高为+1353～+1381 m，工作面标高为+659～+765 m，主采的2号煤层平均厚度为5.6 m，平均倾角5.6°。232204工作面北部为232201工作面采空区，之间留设30 m区段煤柱，南部是DF3断层，东部为23采区边界煤柱，西部为23采区大巷，如图2所示。当前23采区上位2号煤层开采至末期，需要向下延伸至3号煤层，由于23采区煤层间距变化范围大，且受到南部DF3断层的限制，因此急需对3号煤层233204工作面的合理位置进行确定，233204工作面设计位置(红色虚线位置)如图2所示。

图1 水文地质剖面

图2 233204工作面设计位置

2 煤层开采底板破坏范围

2.1 理论计算

在进行近距离煤层下行开采时，上位煤层开采必然会对底板产生一定程度的破坏。当上、下位煤层层间距小于上煤层开采底板破坏范围时，下位煤层本身及其顶板的完整性会受到破坏。依据塑性力学中的塑性滑移线场理论[19]，如图3所示，得到煤层底板破坏范围计算公式。

图3 煤层底板塑性破坏力学模型

式中，φ为底板岩层的平均内摩擦角，(°)；x0为采场前方支承压力峰值与工作面煤壁之间的距离，m。

通过岩体极限平衡理论可以计算得到：

则煤层底板破坏深度h为：

式中，M为煤层采高，m；Cm为煤体内聚力，MPa；φm为煤层的内摩擦角，(°)；K为侧向压力集中系数，K取值为2.0；γ为上覆岩层的平均体积力，γ取25 kN/m3；D为煤层埋深，m；f为煤层与顶底板接触面的摩擦因数；ξ为煤体三轴应力系数，ξ=(1+sinφm)/(1-sinφm)。

梅花井矿2号煤层实际地质参数见表1。通过改变底板岩层内摩擦角和煤层采高，得到煤层底板破坏深度的变化特征，如图4所示。当底板岩层的内摩擦角从25°增加到50°时，底板破坏深度从9.06 m呈指数型趋势增加到27.1 m；当煤层采高从1 m增加到6 m，底板岩层破坏深度从3.16 m线性增加到18.95 m，由此可知，底板岩层内摩擦角和煤层采高对底板岩层的破坏深度具有显著影响。

表1 2号煤层相关参数取值

图4 底板破坏深度变化规律

根据式(1)—式(4)，结合5组层间钻孔信息，计算得到近距离煤层变层间距条件下底板岩层破坏深度，见表2。仅钻孔M505层间岩层厚度大于底板破坏深度，其余钻孔的层间岩层厚度均小于底板破坏深度，由此可知，下位3号煤层大范围会受到上位2号煤层开采引起的扰动破坏，因此，下位3号煤层回采巷道布置应避开上位煤层应力集中影响区域。

表2 破坏深度理论计算结果

2.2 底板破坏深度实测

采用ZTR12系列地质雷达对梅花井煤矿上位2号煤层开采底板30 m范围内的岩层破坏情况进行探测。通过对采集到的信号数据进行零线标定、滤波、去噪、增益控制等处理，得到了2号煤层开采后底板岩层的破坏情况，如图5所示。

图5 地质雷达探测结果

通过相位差异可知，上位2号煤层开采后，底板岩层18 m范围内出现强反射区，裂隙密集发育，底板岩层的破坏深度约为18 m。

3 变层间距开采底板破坏数值模拟

为指导梅花井煤矿上位2号煤层232204工作面开采后下位3号煤层233204工作面回采巷道的布置，建立UDEC数值模型，探究变层间距条件下232204工作面开采后的底板煤岩层的裂隙发育特征及应力分布特征，进而确定下位3号煤层233204工作面的合理巷道位置。

3.1 模型建立

以梅花井煤矿232204工作面5个层间钻孔柱状信息为依据，建立5组UDEC数值模型。模型长和高均为300 m和150 m。模型左右两侧为水平位移约束，底部为垂直位移约束，模型顶部设定为垂直应力约束，给定均布载荷为10.62 MPa来模拟未建立的实际地层。

3.2 参数选择

5组数值模型均采用Mohr-Coulomb本构模型，结合煤系地层钻孔柱状的岩性特征，数值模型中各煤岩层物理力学参数见表3。

3.3 模拟方案与步骤

为了消除数值计算过程中模型边界效应的影响，各模型两侧均留设80 m的边界煤柱，工作面沿倾向每次开挖20 m，累计开挖140 m(约为232204工作面长度的一半)。将232204工作面5组层间钻孔柱状的煤系地层赋相同参数，计算至初始地应力平衡，接着对上位2号煤层进行开挖，每开挖一步，计算至平衡，直至开挖结束。

3.4 模拟结果分析

3.4.1 底板岩层裂隙发育特征

5组层间钻孔柱状情况下，上位煤层开采后底板岩层的裂隙发育程度如图6所示，图6中红色线条为裂隙。由图可知，在上位煤层工作面的采动影响下，底板岩层出现不均匀鼓起，即底板岩层产生横向离层裂隙；而当底板岩层受到的拉应力超过其极限抗拉强度时，会导致底板岩层的破断而出现纵向破断裂隙。

图6 底板裂隙发育与应力分布

在上位煤层开采后，5组层间距条件下，底板裂隙发育范围均会呈现出由上至下逐渐递减的倒梯形分布区域。5组层间钻孔柱状条件下底板岩层的破坏深度见表4。数值模拟结果与理论计算结果高度吻合。

表4 底板岩层破坏深度的数值模拟结果

由表可知，M505钻孔对应的数值模型底板岩层的裂隙发育深度为17.71 m，小于层间岩层厚度，说明底板岩层裂隙未发育至下位3号煤层，3号煤层的完整性良好。610、M407、M307和1810钻孔对应的数值模型底板岩层的裂隙发育深度分别为20.19，14.48，19.95，14.49 m，均大于层间岩层厚度，说明底板岩层裂隙已经发育至下位3号煤层甚至达到基本底位置，3号煤层的完整性受到影响，因此，下位3号煤层回采巷道的布置应尽量避开巷道围岩破碎范围，即布置在巷道围岩完整性较好的区域内。

3.4.2 底板岩层应力分布特征

5组层间钻孔柱状情况下，上位煤层开采后底板岩层的应力分布如图6所示。上位煤层开采使得底板岩层的应力状态受到扰动而导致应力的重新分布。上位煤层采空区下底板岩层会形成应力降低区，而边界煤柱下底板岩层会形成应力增高区。图中黄色斜线为应力降低区与应力增高区的分界线，其与垂直方向(绿色虚线)的夹角即为应力影响角δ。M505、610、M407、M307和1810钻孔对应的应力影响角为23°、16°、21°、27°和24°，结合5组钻孔层间间距，分别计算得到底板应力降低区与边界煤柱的最小水平距离见表5。

表5 底板岩层应力传递影响角及应力降低范围

综上，为避免煤柱应力集中的影响，梅花井煤矿下位3号煤层回采巷道应与边界煤柱内错9.69 m，在考虑1.5倍的安全系数后，最终采取内错15 m布置，如图7所示。

图7 下位煤层巷道布置

4 巷道分区支护方案设计

依据实际地质条件，结合上位2号煤层232204工作面与下位3号煤层233204工作面变层间距的实际情况，提出3号煤层回采巷道分区支护方案。结合上位2号煤层巷道设计尺寸，设计下位3号煤层回采巷道的设计断面尺寸为6200 mm×4300 mm的直墙半圆拱形巷道。

4.1 上下位煤层层间距小于5 m时支护方案

上下位煤层层间距小于5 m时，下位煤层巷道(图7中的红圈区域)支护方式如下：

1)巷道顶板锚杆支护采用∅22 mm×2000 mm的高强左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距为800 mm×800 mm，每排布置11根锚杆；锚杆端部使用300 mm×300 mm×16 mm铁托板，全长锚固；锚固力不低于50 kN，其扭矩不小于140 N·m。顶板金属网尺寸设计为5000 mm×900 mm。

2)巷道帮部采用∅22 mm×2500 mm的高强左旋无纵筋螺纹钢锚杆，锚杆的间排距为600 mm×800 mm，两帮和底角共打6根锚杆，底角锚杆的倾角为15°，托盘规格为300 mm×300 mm×16 mm；两帮挂网至最帮部最下一根锚杆；两帮锚杆设计锚固力不小于50 kN，扭矩不低于140 N·m。

3)巷道加强支护选用架棚支护，U型支架采用29U型钢加工，每架三节组成，拱梁与柱腿搭接处采用两个卡缆固定，卡缆采用29U型钢标准卡缆，外形为双槽形夹板式并带有限位块。柱鞋采用10 mm厚钢板加工，规格为200 mm×200 mm×10 mm，与柱腿焊接牢固。钢支架间距为0.8 m。

4.2 上下位煤层层间距大于5 m时支护方案

上下位煤层层间距大于5 m时，下位煤层巷道(图7中的蓝圈区域)支护方式如下：

1)巷道顶板锚杆支护采用∅22 mm×2500 mm的高强左旋无纵筋螺纹钢锚杆，锚杆的间排距为800 mm×800 mm，每排布置11根锚杆；锚杆端部使用300 mm×300 mm×16 mm铁托板，采用树脂锚固剂进行全长锚固；顶板锚杆设计锚固力不小于50 kN，锚杆扭矩不低于140 N·m。顶板铺设金属网，规格为5000 mm×900 mm。巷道顶板锚索支护采用∅21.8 mm×6150 mm钢绞线，锚索的间排距为1800 mm×1600 mm，每根锚索使用2节MSK2370型树脂药卷进行锚固，每根锚索配套使用300 mm×300 mm×16 mm铁托板张紧，顶板锚索设计预紧力180 kN，并配合W型钢带。

2)巷道帮部采用∅20 mm×2500 mm的高强左旋无纵筋螺纹钢锚杆，锚杆的间排距为600 mm×900 mm，两帮和底角共打6根锚杆，底角锚杆的倾角为15°，托盘规格为300 mm×300 mm×16 mm；两帮挂网至最帮部最下一根锚杆；两帮锚杆设计锚固力不小于50 kN，扭矩不低于140 N·m。

3)巷道帮部增设帮锚索，规格为∅21.8 mm×4150 mm。帮锚索设置在帮部偏上位置，替换相应位置的帮锚杆，每2排替换一根，打设帮部锚索时，将原有的钢带托盘更换为与锚杆匹配的钢带，使得帮部锚索与另2根锚杆形成一个整体。

5 结 论

1)通过理论计算了梅花井煤矿上位2号煤层的底板破坏范围，得出煤层采高与底板岩层内摩擦角对底板破坏深度具有显著影响；上位2号煤层变层间距开采导致的煤层底板破坏深度最大为19.57 m，会对下位煤层造成一定程度破坏，因此3号煤层回采巷道布置应考虑避免煤层上方应力集中的影响。

2)运用UDEC数值模拟得到上位煤层开采后下位煤岩层的裂隙发育特征及采场应力分布特征。5种层间距下的裂隙发育范围皆呈倒梯形，其中4种层间距下的底板裂隙发育均与下位煤层导通并延伸至下煤层底板，数值模拟结果与理论计算结果高度一致。由底板应力场分布特征得到了不同层间距对应的应力降低区与边界煤柱的水平距离，最大为9.69 m。

3)考虑安全系数后，最终确定梅花井矿3号煤层回采巷道采用内错15 m布置。根据煤矿变层间距开采的实际情况，巷道采用架钢棚支护与锚网带索支护相结合的动态分区支护方式，可为条件相似的巷道布置提供参考。