煤矿下煤层回采巷道合理布置方式分析

李 忠

（山西焦煤西山煤电西铭矿，山西 太原 030052）

0 引言

当前，随着煤炭资源开采强度的增大，为提升开采效率，近距离煤层群的开采已经成为很多矿区面临的主要任务。但近距离煤层群之间因各层距离较小，在开采过程中，各煤层之间经常存在影响而造成下部煤层顶板出现完整性破坏，以及矿压过高等不利因素。为规避这些问题，就需要对近距离煤层群开采模式下的回采巷道布置工作进行综合研究，以提升开采效率及安全性[1]。

1 工程概况

某煤矿井田总面积约为60 km2，属低瓦斯矿井，海拔标高约为1 050 m，共有含煤层4～19 层，其中可采煤层有2～12 层。含煤层平均厚度为17.57 m。当前，随着开采工作的进一步推进，矿井方面拟对其中的两个可采煤层进行开采，其中，2#煤层整体较为稳定，平均厚度约为2.98 m，煤层顶板主要为粉砂岩，底板主要为粉砂岩、泥岩；4#煤层稳定程度较差，平均厚度约为2.01 m，部分存在裸露自燃现象。

在开采工作开始前，勘查人员首先对目标煤层进行巷道松动圈测试，以分析工作面回采过程对巷道可能产生的影响。本环节采用YSZ 钻孔窥视仪进行测试，在测试过程中，充分考虑薄弱断面和存在特殊地质结构的断面进行测试，并选取具有代表性的结果进行重点分析。测试后获得的典型断面测试结果，如图1 所示。

图1 典型断面测试结果图

从图1 中可见，在探测区域内裂缝较为明显，存在较大裂缝，部分节点变形较大且出现破碎情况，经过分析后确定松动圈范围达到3.3 m。在查阅相关资料后获知，该区域老顶未垮落时松动圈范围为2.1 m，二者差值较为显著，证明工作面回采会导致运输巷道受到更多不利影响，需要对巷道的布置进行合理优化。

2 回采巷道整体方案布置

2.1 煤柱尺寸确定

根据相关理论分析可知，上部煤层留设煤柱的支承压力将传导至下部煤层巷道中，对于下部煤层巷道的稳定性必然产生一定影响[2]。同时，影响煤柱宽度的因素又相对较多，包括支承压力、受力状况、自身承载能力和采动频率等。一般情况下，当留设煤柱两侧因受力产生塑性变形时，其通常会出现一个弹塑变形区，该区域又可细分为破裂区、塑性区和应力升高弹性区三部分，其基本示意图如图2 所示。

图2 煤柱弹塑变形区示意图

结合以上情况，在本次研究中，基于公式（1）对煤柱尺寸进行设计。

式中：p1表示支架对煤帮产生的阻力；K 表示顶板应力集中系数；m 表示煤层平均厚度；φ0和c0分别表示岩层和煤层接触面的黏聚力与内摩擦角；f 表示煤层与顶板接触面的摩擦因数；λ 表示侧压力系数，γ 表示上覆土重度。相关参数均可根据勘察资料获得，代入相关数据后，求得该煤层的回采煤柱宽度确定为25 m。

2.2 回采巷道位置设计

根据该井田已有的勘察报告数据，确定两个待开采煤层间的主要岩性包括粉砂质泥岩和泥岩，其中粉砂质泥岩为主导，岩体的单轴抗压强度如表1 所示。

表1 层间岩体单轴抗压强度

根据上表中的数据，以及岩性信息，最终确定普氏系数f 的值为3.56，估算岩体的平均强度约为34.6 MPa。同时，考虑到该工作面的巷道埋深均小于300 m，因此采取如下布置方案：将2#煤层巷道布置于距离底板边缘15 m 处的位置，即在此处布置4#煤层顺槽。

2.3 回撤巷道位置设计

结合以往的研究经验可知，巷道布置的位置、巷道掘进时机和支护强度是影响回撤巷道稳定性的三个主要因素[3]，据此，研究人员通过以下几个步骤对回撤巷道的位置进行确定。

一是计算巷道位置，在计算过程中，取埋深为110.2 m，上覆土重度取24 kN/m，顶板应力增高系数取35，支架对煤帮的支护阻力取200 KPa，而后基于上文中的公式进行计算，计算结果为6.44 m，为避开应力增高点，在该结果的基础上，增加一定长度，该增加值为煤层厚度2 倍，代入数据后求得L 值为14.37 m。根据此计算结果，结合底板巷道的实际情况，查表确定辅助回撤巷道与主回撤巷道之间采取对中30 m 布置的措施，步距为25 m。

二是确定回采巷道与主巷的连接。在该步骤中，工作人员在新工作面布置胶带顺槽，将回风槽通过回撤端掘上山与回风巷连接导通，利用已有回风系统进行搭接，以提升施工效率。

2.4 支护方案设计

根据前期勘查结果发现，该煤矿回采工作面上方存在采空区，受到采空区影响，导致回采顺槽巷道应力状态复杂，传统支护方式难以取得预期效果[4]。就此，技术人员决定采用锚-索-网联合支护设计模式，综合考虑性能、成本等多方面因素，最终确定锚杆和锚索的设计参数如表2 所示。

表2 锚杆锚索设计参数汇总表 单位：mm

确定以上参数后，基于以下几个步骤进行支护设计：巷道顶板设置6 根顶锚杆，顶角锚杆与垂直方向呈10°夹角；顶板设置三根锚索，每根锚索配备3 卷树脂药卷，并控制锚索预紧力在100 kN 以上；巷道帮部设置4 根锚杆，并控制顶角锚杆与水平方向呈10°夹角。

3 试验结果与讨论

为探究本次巷道布置方式的可行性和有效性，测试人员针对拟采煤工作面布置监多个监测点[5]，收集监测数据并应用FLAC3D 进行分析，首先对应力变化情况进行分析，分析结果如图3 所示。

图3 巷道优化布置后的应力云图

从图3 中可见，巷道优化布置后，巷道围岩应力状态未出现明显异常，其中右帮最大应力值为29.8 MPa，在巷道顶部和四周边角处应力较为集中，最大值为16 MPa，整体处于较低水平。

在应力分析后，测试人员选择时间跨度为60 d，对优化前后巷道围岩表面变形监测数据进行整理，整理结果如表3 所示。

表3 巷道表面位移量对比分析

根据上表的数据分析可知，在采取本次设计的巷道合理布置措施后，巷道围岩变形情况得到有效抑制，证明本次设计的巷道合理布置方案基本能够满足实际的生产安全需要。

4 结语

整体来看，在本次研究工作中，针对煤矿下煤层回采过程中巷道的安全风险因素，基于理论和实践相结合的研究方法，对巷道布置方式进行了优化，确定了巷道优化布置工作中的主要指标参数，以此形成较为完善的巷道合理布置方案。在方案初步拟定后，对该方案的实际应用效果进行测试，测试结果表明，本次方案取得了一定的优势，有望在后续工作中进一步推广应用。