近距离煤层下煤层回采巷道布置方式研究

王燕飞

（山西焦煤西山煤电西曲矿，山西 太原 030200）

0 引言

近年来，随着煤炭开采强度的进一步增大，近距离煤层开采成为研究人员所重点关注的一项内容，但由于近距离煤层开采存在诸多特殊性，其仍然面临着较多的技术难题。为解决这些技术难题，对巷道布置方式进行优化则是一项切实可行的工作，对此，应当重点研究近距离煤层下煤层回采巷道的优化布置方式，以实现这些煤层的安全高效开采[1]。

1 项目概况

某煤矿井田当前针对一号采取进行开采，该采区总厚度约为138.24 m，共计含煤15 层，煤层总厚度为10.11 m，该煤田设计产能为每年120 万t。近年来，在高强度的开采下，井田主要采区4#煤近乎枯竭，经企业研究决定，为保证产能，针对采取南侧的10#煤层进行开采。通过前期勘查作业得知，该煤层厚度为1.6～2.9 m，平均厚度为2.3 m，属于较为稳定的可采煤层。但由于本次开采属于典型的近距离煤层下煤层回采工艺，因此其安全风险因素较多，对此，勘查工作人员对目标开采区域工作面进行钻孔和窥视分析，获得典型分析图像，如图1 所示。

图1 窥视图像

经分析，该图像对应钻孔深度为7.9～8.7 m 范围内，存在较多裂隙发育，整体性较差，对于回采工作的影响不容忽视，因此企业技术部门决定对围岩稳定性进行较为详尽的分析，并根据分析结果，设计更具针对性的巷道布置与支护方案[2]。

2 回采巷道布置方案

2.1 围岩稳定性分析

在本次研究工作中，围岩稳定性分析应用模糊聚类分析法进行分析，分析流程包括以下几个步骤：根据前期勘查获得的资料数据，对回采巷道内的围岩分类指标进行取值和标准化处理；应用MATLAB 中的FCM工具函数，对样本集进行计算，以得出模糊聚类中心；设定迭代阈值为1×10-4，进行40 次迭代计算，求出隶属度数值，如表1 所示。

从上表中的数据可见，在开采过程中，8102 工作面的运输巷和回风巷属于第三类，评级为“较稳定”；而10103 工作面的运输巷和回风巷则属于第五类，评级为“极不稳定”，需要重点对此进行巷道布置优化和支护作业。

2.2 巷道布置整体方案

针对本次近距离煤层下煤层回采巷道布置的实际情况，并兼顾矿井实际生产需求，采用内错式布置方式，将下煤层的回采巷道布置在上煤层工作面正下方。在此基础上，对以下几方面的重要参数进行确定[3]。

一是确定巷道合理错距。根据相关理论分析可知，煤柱在受到均布载荷作用后，煤层底板将形成一定的应力分布规律，其影响边界通常为载荷p 的5%。同时，在集中载荷作用下，应力在底板内的传递效果将随着煤柱距离的增大而下降，二者之间近似为反比例函数关系，对此，引入应力传播影响角θ，应力影响范围即可简化如图2 所示。

图2 应力影响范围示意图

根据该示意图可知，应力传播影响角θ 随着支承压力的增大而增大，考虑到实际安全系数，该角度值取25°。据此，设计人员将本次拟开采的10#煤层回采巷道布置在8#煤层的底板应力影响范围之外，避免上煤层底板遗留煤柱存在应力的影响。在此基础上，下煤层回采巷道的合理错距则根据方程L≥（h1+h2）×tanθ 进行计算，其中h1为煤层间距，h2表示10#煤层的厚度，代入相关数据后可求得L 的最小值为4.4 m，考虑到应力降低区的应力分布不均，将该结果乘以一个安全系数1.5，再考虑回采工艺流程可能造成遗留煤柱集中应力的增大，综合分析后，确定合理错距值为10 m。

二是确定最终的回采巷道布置方案。基于已确定的内错式布置方案，将10103 工作面运输巷布置在8103 工作面采空区下；同时10103 工作面回风巷布置在8102 工作面采空区下，外错8103 工作面。

为检验该方案的可行性，结合已有的研究结果，应用FLAC3D 软件进行模拟分析。根据已有资料，选取数值模型尺寸为300 m×100 m×100 m，并进行划分网格和模拟施加7.3 MPa 的均布载荷，而后进行数值计算，计算结果如图3 所示。

图3 应力分析云图（左）和塑性区破坏云图（右）

根据上图并应用软件进行计算分析后得知，在该方案下，工作面运输巷最大垂直应力为0.15 MPa，且巷道所在区域为应力降低区；塑性区破坏深度为1～3 m，且因上煤层采空区上覆岩层垮落，逐渐趋于稳定状态。证明本次方案具有相对较高的可行性[4]。

3 支护方案的设计

3.1 回采巷道支护参数的确定

由于在本次近距离煤层下煤层回采工作中，采区的10103 工作面稳定性相对更低，因此本环节重点对此工作面的支护进行研究，具体分为以下几个部分。

一是确定顶板支护方案。结合实际情况，该工作面运输巷和回风巷均采用规格为Φ20 mm×2 200 mm的高强度左旋无纵筋锚杆作为顶板锚杆，每排布置5根锚杆，间排距则控制为900 mm×1 000 mm，采用树脂加长锚固方式进行锚固，锚固长度为1 309 mm。同时采用规格为150 mm×150 mm×8 mm 的高强度拱形托盘，将其安设在锚杆靠近巷帮的一侧。

二是确定巷帮支护方案。针对该工作面运输巷和回风巷，巷帮锚杆均采用规格为Φ20 mm×2 200 mm的高强度左旋无纵筋锚杆，每排布置3 根锚杆，间排距控制为900 mm×900 mm，仍采用树脂加长锚固方式进行锚固。同时在安装过程中，靠近顶板的锚杆安设角度向顶板方向部偏移20°，其余两根则垂直巷帮安设[5]。

三是确定架棚支护方案。本次采用11#矿用工字钢棚进行支护，并控制各钢棚单体间的距离为1 000 mm进行布置。

3.2 矿压监测

为检验支护效果，在巷道掘进过程中，针对本次10103 工作面，在该工作面的运输巷布置三个测点，三个测点分别距离运输巷20、40、60 m，布置完成后，采用十字交叉法进行监测，监测结果如表2 所示。

表2 矿压监测结果

从上表中的数据可知，在该工作面中，巷道顶底板移近量和巷道两帮移近量均处于相对较低的水平，证明本次采取的支护措施发挥了重要作用。

4 结语

整体来看，在本次研究中，结合某地煤矿采取中近距离煤层回采工作的实际需要，通过现场勘查、理论分析和实践应用三个方面，对该煤矿内回采巷道的合理布置方式和支护技术均进行了一定的研究，并对实际应用效果进行了初步的分析和检验，结果表明，本次设计的回采巷道布置方式具有较高的合理性与可行性，有望在今后的相关工作中逐步得到实际应用。