近距离双厚煤层变层间距条件下回采巷道布置方式研究

郭伟亮，常毛毛，宋晓寒

（1.陕西小保当矿业有限公司，陕西 榆林 719000；2.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013；3.天地科技股份有限公司，北京 100013）

0 引言

近距离特厚煤层群在开采过程中，会引起回采空间周围岩层应力重新分布，受载条件复杂，煤柱的应力集中将向底板岩层深部传递，造成布置在底板岩层中或近距离煤层中的巷道整体力学性能变差，变形急剧增大。因此，上下煤层工作面的位置关系与回采巷道布置的问题是一个难题。针对近距离上下位煤层回采巷道布置方式，国内外已经展开了大量的研究工作，取得了一定的研究成果。何富连等[1]分析了主应力差与应力降低区因素对近距离下部煤层巷道合理内错距离的影响，认为巷道应布置于低主应力差环境；赵智楠[2]分析了极近距离遗留煤柱底板变形破坏机理，将底板岩层破坏区分为主动应力Ⅰ区、过渡Ⅱ区及被动应力Ⅲ区；丁国利[3]建立了上层采空区和残留煤柱的力学模型，对比了采空区下回采巷道不同错距的受力情况，提出了一种合理的巷道布置方式；陈朋磊[4]通过对巷道围岩特性的研究，确定了合理的外错布置距离，配合高强度预应力锚索、锚杆支护，有效解决了巷道高应力问题；戴文祥[5]研究了上覆煤柱集中应力在底板的传递特征，分析了煤柱的相对位置对下位煤层回采巷道的影响；其他学者也对不同条件下的近距离煤层群开采进行了大量有意义的研究[6-10]。国内外现有研究表明，近距离煤层巷道布置与上下煤层厚度、层间距以及原岩应力水平等因素有关，在近距离煤层群均为特厚煤层且层间距变化较大的条件下，如何合理调整下煤层回采巷道与上煤层采空区遗留煤柱的位置关系，还缺乏相关研究。因此，笔者基于鄂尔多斯地区准旗煤矿近距离特厚煤层群的特殊条件，研究了在变层间距条件下下位煤层回采巷道合理的布置方式。

1 概 况

鄂尔多斯地区准旗煤矿目前开采6上煤层一采区和二采区，两采区均以6上煤与6 号煤分叉区为主，采用综采放顶煤工艺进行分层开采。随着矿井一采区6上煤层开采逐渐进入尾声，矿井煤炭开采将逐步转入下部的6 号煤层开采，6 煤首采工作面拟布置在一采区南翼东侧的6上115 工作面下方。6上煤层位于石炭系上统太原组第二岩段上部，煤层埋藏深度为122.10～629.19 m，平均364 m，煤层厚度一般在4.50～26.22 m，平均13.63 m，属特厚煤层。6 号煤层位于石炭系上统太原组第二岩段下部，煤层埋藏深度为131.01～650.72 m，平均380.19 m，煤层厚度为1.25～13.32 m，平均6.49 m，以厚～特厚煤层为主。6 号煤层顶板以泥岩为主，局部为粗粒砂岩，距6上煤层间距为0.04～30.75 m，主要分布在25 m 以下，平均9.38 m，且层间距变化较大，其中6 煤首采工作面所在位置上下煤层层间距分布在2～26 m，平均为23 m。一采区南翼6上煤与6 煤层间厚度分布如图1 所示。

图1 一采区南翼6上煤与6 煤层间厚度分布Fig.1 Thickness distribution between No.6 upper coal seam and No.6 coal seam in the south wing of No.1 mining area

2 近距离煤层回采巷道布置方式的选择

近距离煤层群下位煤层回采巷道相对于上位煤层的布置方式主要有内错式布置（平移布置是一种变相的内错布置）、外错布置和重叠布置等方式。近距离煤层开采时，上位区段煤柱将承受较大的支承压力，集中应力系数可达3～6 倍，外错式和重叠式布置方式都不可避免地受到上煤层区段煤柱支承压力的影响，巷道维护较为困难；而上煤层开采后，采空区的顶板压力得到释放，处于原岩应力区或者卸压区。根据砌体梁理论，煤层开采后，上位岩层能形成“砌体梁”式的平衡，使回采工作面空间依然处于已破裂而互相挤压的岩块形成的结构保护下。因此，一般在工作面后方及护巷煤柱两侧一定距离内形成减压区。下煤层巷道内错布置可以充分利用减压区的优势，有利于回采巷道稳定（图2）。从我国近距离煤层群开采实践来看，内错布置方式运用较多，外错布置相对较少，而近年来，平移式布置逐渐成为我国近距离煤层开采下煤层回采巷道的又一种主要布置方式（图3）。因此，为了使6 煤回采巷道避开上煤层遗留煤柱的高应力影响，并避免纯内错布置造成的下煤层煤柱留设过大问题，一采区6 煤回采巷道可采用平移布置方式，使6 号煤工作面两条回采巷道均位于上煤层采空区下方，且煤柱损失较小。

图2 内错布置Fig.2 Inner crossing layout

图3 平移布置Fig.3 Horizontal displacement layout

3 近距离煤层回采巷道布置数值模拟

采用FLAC3D 数值模拟软件对6上煤回采动压影响下的6 煤巷道合理布置位置进行研究，模拟在上部6 煤开采后，不同底板深度和不同水平位置条件下6 煤回采巷道围岩应力环境的变化，进而判断6 号煤回采巷道合理的水平错距。以6 煤首采工作面区域钻孔柱状图为原始条件，6 号煤层厚度取9 m，6上煤厚度取10 m，据南翼一采区不同区域6上煤与6 号煤层层间距的分布特征，按间距为25 m和层间距为10 m 分别建立数值模型进行模拟。模型中6上煤回采工作面之间的区间煤柱宽度取30 m。模型长度均为470 m。

3.1 煤柱下方底板应力分布特征

在上部6上煤相邻两工作面依次开挖后，得出遗留煤柱下方垂直应力等值线云图，具体如图4 所示。通过在底板不同深度设置水平监测线，得到煤柱下方不同深度垂直应力沿倾向分布曲线，如图5所示。

图4 煤柱下垂直应力等压线分布Fig.4 Distribution of vertical stress isobaric line under coal pillar

图5 遗留煤柱下方不同深度垂直应力沿倾向分布曲线Fig.5 Vertical stress distribution curve along the tendency at different depths under the remaining coal pillar

可见煤柱下方不同区域垂直应力值具有显著差别，根据所受煤柱集中应力影响程度的不同，沿水平方向可以将煤柱下方底板大致分为3 个区（图5）：A 区为煤柱下方集中应力区；B 区为煤柱集中应力扩散区；C 区为应力恢复或原岩应力区。3 个区域沿煤柱中心线基本呈对称分布。A 区位于煤柱正下方，应力集中程度最高，如在该区域内布置下煤层巷道，必然会加剧下位巷道变形破坏；B 区仍在煤柱集中应力影响之下，且受到偏应力影响，下位巷道掘进时靠近煤柱侧帮部变形破坏往往要比另一侧严重；C 区已基本摆脱煤柱集中应力的影响，由于巷道两侧应力环境相近，巷道掘进时两帮变形破坏程度也基本一致，且处于较低水平，因此，在此区域布置巷道较为适宜。

随着底板深度的增加，煤柱下方底板集中应力峰值及应力集中系数呈线性递减趋势（图6）。煤柱下方5 m 底板支承压力峰值大小为11 MPa，应力集中系数为2.65；到煤柱下方25 m 时，底板支承压力峰值降为8.53 MPa，应力集中系数降为1.83。但集中应力的扩散范围随着底板深度的增加呈现增大趋势，如：底板深度5 m 处，应力集中影响范围仅限于煤柱下方区域，而当底板深度为25 m 时，集中应力的影响范围已扩大至煤柱边缘27 m 左右。

图6 煤柱下方不同底板深度集中应力峰值及应力集中系数分布Fig.6 Distribution of stress concentration peak and stress concentration factor of different floor depth under coal pillar

3.2 不同层间距、水平错距下煤层巷道应力环境数值模拟

在6上煤区段煤柱两侧工作面依次回采，并且待围岩恢复稳定后，在距离区段煤柱不同位置对6煤回采巷道进行掘进开挖模拟。模拟计算中，按照6 号煤层回采巷道与同侧6上煤回采巷道水平错距的不同，共分煤柱正下方、外错5 m、内错5、10、15、20、25、30、35、40 m 等11 个方案进行模拟。当上下煤层层间距为25 m 和层间距为10 m时，6 煤巷道及6上遗留煤柱下方垂直应力分布情况分别如图7 和图8 所示（受篇幅所限，此处仅列出部分模拟结果）。

图7 层间距25 m 时6 煤巷道围岩应力分布状态Fig.7 Stress distribution state of surrounding rock in 6 coal roadway with 25 m layer spacing

图8 层间距10 m 时6 煤巷道围岩应力分布状态Fig.8 Stress distribution state of surrounding rock in 6 coal roadway with 10 m layer spacing

由图7 可知，在层间距为25 m 条件下，随着远离上方遗留区段煤柱，6 煤巷道深部围岩所处的应力环境逐步改善。当6 煤巷道布置在煤柱的正下方时，巷道整个处于煤柱高集中应力作用范围内，巷道易发生严重的变形破坏。当6 煤巷道外错6上煤回采巷道5 m 布置时，此时6 煤巷道靠近煤柱边缘，但仍处于煤柱下方，巷道围岩应力相比沿煤柱中心布置时应力环境有所改善，但巷道仍位于高应力区内，且巷道右帮（靠近煤柱中心帮）应力大于左帮，易造成两帮不对称变形。在6 煤巷道采用内错布置后，6 煤巷道位于采空区下方，且随着与区段煤柱水平距离的增加，巷道围岩应力明显降低，但右帮巷道深部围岩应力始终大于左帮，巷道右帮未脱离煤柱支承压力的影响。当6 煤巷道内错6上煤巷道30 m 布置时，巷道两帮开始均位于原岩应力区内，两帮围岩应力分布特征基本相同，巷道深部围岩应力降低至原岩应力，此时巷道避开了煤柱下方的高应力区，进入一个应力较低且相对稳定的区域。

由图8 可知，当层间距为10 m 时，6 煤巷道围岩应力变化规律与层间距25 m 时基本相同，但是随着6 煤巷道与6上煤区段煤柱水平内错距离的增加，巷道围岩应力下降幅度更为显著。当6 煤巷道内错6上煤巷道20 m 布置时，巷道两帮开始均位于原岩应力区内，两帮围岩应力分布特征基本相同，巷道深部围岩应力降低至5 MPa 以内，进入一个应力较低且相对稳定的区域。

因此，根据数值模拟结果分析，在6上煤与6煤层间距为25 m 时，在6上煤煤柱集中应力的影响下，6 煤巷道合理布置的方式为内错于同侧6上煤回采巷道不小于30 m 的距离；当层间间距为10 m时，内错距离为不小于20 m。一采区6上煤与6 煤层间距主要分布在25 m 以下，平均为9.38 m，因此，兼顾不同层间距条件下6 煤工作面巷道布置，6 煤巷道内错同侧6上煤巷道的距离应不小于30 m。

4 6 煤工作面回采巷道布置方案

综合理论分析与数值模拟结果，位于采区边界的6 号煤层首采工作面回采巷道采用内错式布置，后续工作面回采巷道采用平移式布置，在实际布置当中，为减少矿井边界附近煤炭损失，6 煤首采工作面辅运顺槽与6上115 工作面辅运顺槽之间留5 m 小煤柱，6 煤接替工作面的辅运顺槽与6上115工作面胶运顺槽的内错距取30 m（图9），确保下位巷道处于良好应力环境，减少煤炭资源损失。

图9 6 煤工作回采面巷道布置断面示意Fig.9 Layout section of mining roadway in No.6 coal seam face

5 结论

（1）为了使6 煤回采巷道避开上煤层遗留煤柱的高应力影响，并避免纯内错布置造成的下煤层煤柱留设过大问题，平移式布置是一种理想的布置方式。

（2）在上煤层遗留区段煤柱下方底板垂直应力沿水平方向大致分为煤柱下方集中应力区（A区）、煤柱集中应力扩散区（B 区）、应力恢复或原岩应力区（C 区）；为免受上煤层区段煤柱集中应力的影响，C 区是下煤层巷道理想的布置区域；集中应力的扩散范围随着底板深度的增加呈现增大趋势，当底板深度为25 m 时，6上煤区段煤柱集中应力的影响范围为距煤柱边缘27 m 左右。

（3）根据不同层间距和水平错距下煤层巷道围岩应力环境数值模拟结果分析，为兼顾变层间距条件下6 煤工作面巷道布置，6 煤巷道内错同侧6上煤巷道的距离应不小于30 m，并对6 煤首采工作面和接续工作面的回采巷道布置方案进行了设计。