浅析杜儿坪矿极近距离煤层采空区下巷道布置

张 卓

(山西焦煤集团有限责任公司 杜儿坪矿， 山西 太原 030022)

杜儿坪矿位于山西省太原市，1956年建矿，隶属于山西焦煤集团有限责任公司。井田南北宽约6 km，东西长约10 km，面积为69.113 5 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。其中，8#和9#煤层为极近距离煤层，层间距仅为1.5～2.6 m. 受采煤工艺及支护技术制约，该两层煤难以实现放顶煤开采，利用分层开采技术回采过程中又受到层间距小、顶板薄、采空区等因素影响，9#煤层巷道布置难度较大。目前，矿井8#煤层开采即将结束，9#煤层面临开采。

1 极近距离煤层概况

矿井8#煤层和9#煤层为极近距离煤层，其中：8#煤层厚1.9～6.06 m，平均3.58 m；9#煤层厚1.73～5.05 m，平均3.51 m，埋深450～550 m；两层煤层间距为1.5～2.6 m. 北三下组煤盘区68301和68302工作面位于矿井北部，北邻北部总回风巷、南至北一下组总回风巷、西接68303工作面、东邻矿井北二盘区。两个工作面受落差为15 m的断层影响，分别采用刀把式布置巷道。其中，68301工作面可采走向长914 m、一切眼191 m、二切眼97 m、储量84万t；68302工作面可采走向长1 099 m、一切眼135 m、二切眼236 m、储量155万t. 8#煤层68301和68302工作面巷道布置图见图1.

目前，68301和68302两个采煤工作面已经回采完毕，并形成采空区。下部9#煤层的69301和69302两个采煤工作面未掘送。8#煤层68301和68302工作面巷道剖面图见图2.

根据68302采煤工作面附近钻孔柱状图可以看出，此区域内8#煤层厚为5.44 m，下部9#煤层厚为4.05 m，两煤层间距为1.71 m. 68302采煤工作面附近钻孔柱状图见图3.

2 8#煤层采空区下巷道顶板赋存特征

矿井8#煤层采空区下布置的9#煤层巷道顶板为细粒砂岩，深灰色，上部0.25 m为黑色页岩，含植物化石碎片；下部0.35 m为黑色页岩，节理面光滑。68301采煤工作面煤层底板岩层保存完好，在其采空区下部掘进巷道的顶板厚度为1.5～2.6 m，大部分区域顶板厚度约为2.0 m；68302采煤工作面回采过程中部分区域割煤层底板岩石，导致其下部9#煤层与上部采空区之间岩层厚度显著减少，估计为0.3～1.2 m，在其采空区下布置巷道，巷道顶板厚度均值为0.7 m.

图1 68301工作面和68302工作面巷道布置图

图2 68301工作面和68302工作面巷道剖面图

图3 68302采煤工作面附近钻孔柱状图

3 9#煤层顺槽、切眼布置难点

3.1 9#煤层顺槽布置分析

矿井8#煤层北三盘区68301和68302两个采煤工作面之间存在一个大断层，两个采煤工作面之间区段煤柱宽度最大为160 m、最小为70 m. 其下部9#煤层69301和69302两个采煤工作面顺槽布置在区段煤柱下方，或8#煤层采煤工作面采空区下方，对比分析两种不同位置布置顺槽的优缺点。

顺槽布置在采空区下方，其优点是卸压区应力低；缺点是裂隙发育的薄层顶板围岩整体性、可锚性、可靠性较差，普通锚网支护控顶难度大或无法实施。顺槽布置在区段煤柱下方，其优点是顶板安全稳定，便于锚梁网支护，可提高煤炭回收率；缺点是应力集中，压力大，实践表明此类巷道后期变形大。

3.2 9#煤层切眼布置分析

矿井8#煤层北三盘区68301采煤工作面切眼离北一下组总回风巷距离为110 m，盘区边界煤柱之间存在一个宽度约为60 m，长度约为110 m的651#陷落柱，陷落柱离切眼距离约为9 m.9#煤层北三盘区69301采煤工作面切眼布置在8#煤层采空区下方，或布置在盘区边界煤柱下方。

68302采煤工作面切眼离北一下组总回风巷距离最大为58 m，最小为38 m，盘区边界煤柱之间存在两个陷落柱。其中，588#陷落柱紧邻切眼和回风大巷，1246#陷落柱在回风大巷周围。9#煤层69302采煤工作面同样具有两种布置方式。切眼布置方案见图4，切眼布置在不同位置的优缺点：

图4 9#煤层切眼布置方案图

切眼布置在采空区下方，其优点是卸压区应力低；缺点是若切眼沿煤层顶板掘进，68301采煤工作面采空区下方切眼顶板厚度为1.5～2.6 m，68302采煤工作面采空区下方切眼顶板厚度为0.3～1.2 m. 切眼宽度6.3～7.3 m，跨度大，在极近距离煤层采空区下方裂隙发育的薄层顶板条件下，控制大跨度顶板难度大，安全隐患突出，基本无法实施。

切眼布置在盘区边界煤柱下方，其优点是顶板完整性、稳定性高，可提高煤炭回收率；缺点是应力集中，压力大，开切眼后盘区边界煤柱宽度进一步缩减，69301、69302采煤工作面回采可能会对北一下组总回风巷造成采动影响。其次，两个采煤工作面切眼布置在边界煤柱下方都要经过陷落柱，围岩控制难度进一步加大。

3.3 综合分析

根据矿井北三盘区9#煤层顺槽、切眼布置方案和优缺点分析可得，煤层设计工作面应注意两点：顶板控制和采空区影响。

当在极近距离煤层群内开采时，已采完工作面的下部煤层顶板的特点是直接顶较薄，受到上部煤层采动损伤影响，顶板破碎，多为裂隙结构。杜儿坪矿上部已采的8#煤层厚度平均3.58 m，采高大，对下部9#煤层的顶板损伤严重。区段煤柱下方顶板安全稳定性强，便于锚梁网支护，锚杆(索)锚固点位置的选择性大、锚固力能得到充分保障，悬臂梁结构支护合理。

同时，9#煤层工作面上方存在采空区，采空区的存在对下煤层开采的矿压规律及安全影响大。9#煤层巷道、切眼布置在煤柱下方，顶板承载力将大幅度提高，利用有效的支护技术可控。若布置在采空区下方，虽然顶板对上部采场受压较小，但会因支护强度弱而造成空顶和垮面，甚至于下煤层工作面顶板与上部煤层采空区沟通，导致通风系统紊乱，下煤层工作面漏风，或采空区中存在的残煤与空气接触发生自燃、采空区积水涌出等。

4 采空区应力场分布特征

4.1 两侧采空情况

68301、68302工作面回采稳定后，采空区及区段煤柱垂直应力在9#煤层中做剖面，剖面上垂直应力分布见图5，分布特征如下：

1) 采空区整体处于应力低值区，大部分区域垂直应力低于-10 MPa，垂直应力从煤柱边缘向采空区呈现先降低再逐渐增长，随后保持稳定的特征，上部岩层垮落后出现局部增压区。

2) 区段煤柱整体处于应力集中区，垂直应力由煤柱边缘向煤柱中部呈现逐渐增大特征，煤柱中部应力最大，最大值达-26.6 MPa，应力集中系数约为2.35，煤柱边缘应力最小。

3) 9#煤层离煤柱4～12 m，垂直应力降低，是布置巷道的最佳位置。

4) 9#煤层巷道最优布置位置在距离煤柱边缘6 m处。

图5 8#煤层开采后9#煤层中垂直应力分布曲线图

4.2 一侧采空情况

采用只开采68301工作面来分析一侧采空情况下，采空区及煤柱垂直应力分布，8#煤层开采后，9#煤层中剖面位置垂直应力变化特征见图6，特征如下：

图6 8#煤层开采后9#煤层中垂直应力分布曲线图

1) 采空区应力分布特征与两侧采空情况下应力分布特征相同，单侧采空区时，煤柱内由采空区边缘往里呈现先增大后降低到原岩应力的趋势。

2) 单侧采空区时，煤柱内最大集中应力为20.4 MPa，集中系数为1.8，低于两侧采空时煤柱应力集中系数。

5 结 语

从矿井极近距离煤层采空区下顺槽、切眼布置来讲，69301、69302采煤工作面顺槽及切眼巷道都应布置在煤柱下方，采空区下布置巷道围岩应力虽小，但支护无法实施。

1) 8#煤层开采后，9#煤层离煤柱4～12 m垂直应力最低，是布置巷道的最佳位置。9#煤层巷道布置在离煤柱中部4～12 m，离煤柱越近，巷道应力环境较好，变形最小。但从支护技术和以往工程经验来讲，采空区下方破碎薄层顶板条件下采用现有技术无法解决大断面切眼支护问题，因此，不能在采空区下方布置9#煤层顺槽和切眼。

2) 煤柱边缘处于应力降低区，中部处于应力集中区。巷道布置位置距离煤柱4～12 m时，巷道离煤柱中部越远，巷道应力环境越好，应力越低，变形越小。因此，在区段煤柱下方布置9#煤巷道时，巷道最优布置位置在距离煤柱边缘6 m处，沿9#煤层顶板掘进。

3) 考虑到69302采煤工作面顶板薄，掘进或面临无顶板条件，69302采煤工作面需要布置在区段煤柱正下方。69301工作面因大部分区域顶板厚度约为2.0 m，顺槽和切眼布置在距离煤柱中部6 m处。