近距离下煤层回采巷道合理位置选择

耿春喜

(山西潞安集团 左权阜生煤业有限公司，山西 长治 032600)

近距离煤层在我国各大矿区广泛分布，近距离开采使得相邻两煤层之间巷道掘进、工作面回采矿压显现更加明显。当上煤层开采后，打破了煤层原有的应力场环境，下煤层顶底板都会受到不同程度的扰动，加之两煤层之间间距较小，上煤层采空区及遗留的区段煤柱必然会对下煤层回采巷道布置及支护造成直接影响[1-3]。因此下煤层回采巷道如何选择合理的位置，最大限度地减小受上煤层的影响，对于保持下煤层安全回采至关重要。

1 工程概况

山西某矿主要开采8号和9号煤层，其中8号煤层厚度1.99～3.62 m，平均2.8 m，工作面采用三巷布置，巷道保护煤柱留设20 m。9号煤层距离8号煤平均间距6.25 m，9号煤层厚度为3.4 m，平均倾角3°，直接顶为泥岩、砂质泥岩，厚度6.25 m，直接底为泥岩，平均厚度2.32 m。目前矿井对8号、9号煤层同时进行回采，两煤层回采巷道采用外错式布置。工作面布置如图1所示。

图1 工作面布置示意

2 煤柱应力在底板中的传播规律

8号煤层回采后，残留煤柱应力势必会向底板中传播，影响到9号煤层安全回采及巷道布置。因此研究8号煤残留煤柱集中应力在底板中传播规律对于9号煤层巷道布置具有重要意义。

根据弹性力学理论，将煤岩体看作弹性体，建立煤柱集中载荷P在半无限平面内任意一点的应力模型，如图2所示[4]。

图2 煤柱集中载荷传递模型

根据力学原理，煤柱下集中载荷下方某一点处垂直应力大小可以按照公式(1)、(2)进行计算：

(1)

(2)

其中：σy为煤柱下方某一点受到的垂直应力，MN；P为煤柱对底板施加的载荷，MN；Z为受力点距上层煤底板的距离，m；r为受力点在水平面上的半径，m。

应用叠加原理，可以将该条件推广到无限空间，当半平面体上作用宽度为2L的均布载荷，煤柱下煤岩体受到的垂直应力σy可以用公式(3)进行计算[5]：

(3)

其中：L为均布载荷的宽度，m。

根据现场情况，求得煤柱载荷在9号煤层中对应位置最大垂直应力为7.2 MPa，而9号煤层原岩应力为6.5 MPa，根据计算结果，8号煤煤柱在底板中形成的集中应力已经传递至9号煤层对应区域。因此9号煤层回采巷道位置留设不合适，必然会造成巷道变形严重、甚至顶板垮落的事故。

3 数值模拟研究

3.1 数值模型的建立

根据8号、9号煤层开采技术条件，采用FLAC数值软件对9号煤层回采巷道位置进行模拟，分别选取9号煤回采巷道外错8号煤回采巷道3 m、5 m、7 m、9 m、12 m五种情况下，9号煤层回采巷道塑性区分布及应力分布特征，最终确定合理的巷道位置。模拟煤岩物理力学参数如表1所示。

3.2 数值模拟分析

图3为8号、9号煤回采巷道不同错距条件下，巷道屈服破坏分布图。可以看出，随着两煤层回采巷道错距的不断增加，两煤层之间的影响逐渐减小，屈服破坏面积逐渐减小。当两煤层回采巷道错距3 m时，两煤层之间层间岩层屈服破坏明显，该条件下，下部煤层回采巷道围岩随着工作面的开采势必会发生严重变形。当两煤层回采巷道错距增加到9 m时，继续增加巷道间距，屈服破坏情况变化不大，两煤层回采巷道相对稳定，因此从巷道屈服破坏情况出发，9号煤层回采巷道合理的位置应外错8号煤层巷道9 m。

表1 煤岩物理力学参数

图4为8号、9号煤回采巷道不同距离条件下，巷道之间煤柱应力分布特征。可以看出，当巷道间距小于9 m时，煤柱内部应力值较大，应力变化梯度也大，应力马鞍型特征不明显，在这样的情况下煤柱稳定性较差；当间距大于9 m时，继续增加巷道间距，应力值和应力梯度变化不大，且受力呈现明显的马鞍型特征，因此从巷道间煤柱承载出发，9号煤层回采巷道合理的位置应外错8号煤层巷道9 m。

图3 两煤层回采巷道不同错距下围岩屈服破坏特征

图4 不同巷道间距下巷间煤柱受力特征

4 工程验证

根据分析结果，确定9号煤层回采巷道合理的位置外错8号煤层巷道9 m进行布置，并对9号煤层工作面回采时回采巷道围岩移近量进行了监测，监测结果如图5所示。

图5 9号煤层回采巷道围岩移近量

由图可知，巷道超前工作面30 m范围内顶板、两帮移近量较大，顶板移近量最大为96 mm，两帮移近量最大为67 mm，超前距离大于30 m后，巷道围岩基本稳定，顶板移近量维持在70 mm，两帮移近量为50 mm，围岩整体变形量较小。因此巷道间距9 m情况下，能够保证9号煤层回采巷道的围岩稳定性。

5 结 语

本文结合矿井近距离煤层8号和9号煤层实际开采条件，通过运用理论分析及数值模拟试验的方法，对9号煤层回采巷道的合理位置选择进行了研究，得出以下结论：

1) 通过理论计算，确定8号煤层巷道煤柱载荷在9号煤层中对应位置最大垂直应力为7.2 MPa，已经影响到9号煤层开采及巷道布置。

2) 通过数值模拟分析不同巷道间距下9号煤层回采巷道的屈服破坏情况及巷间煤柱受力情况，最终确定了9号煤层回采巷道合理的位置应外错8号煤层巷道9 m。

3) 通过现场监测，9号煤回采巷道外错9 m情况下，顶板移近量最大为96 mm，两帮移近量最大为67 mm，整体处于稳定状态，进一步表明9号回采巷道外错9 m布置科学合理。