近距离煤层采空区下综放工作面巷道合理位置研究

摘要：近距离煤层综放工作面开采空间大，采动强度高，下位煤层回采巷道受上煤层采动影响存在应力集中、巷道支护困难等问题，因此近距离煤层综放工作面巷道合理位置的选取对后期支护控制起到关键性作用。以西露天煤矿2 煤层和1 煤层1 分层为研究对象，综合考虑了上煤层开采时的底板应力降低区域和下煤层开采时的极限平衡区域，确定了下煤层巷道的合理位置应在距离实体煤柱内错22.79 m 以上的区域。基于上述理论计算结果，分析了上煤层开采后底板应力分布规律及不同内错距下巷道围岩变形破坏特征及规律，结果表明：① 距离采空区底板越近，应力最大值与最小值相差越明显；② 随着内错距不断增大，围岩应力和应力集中系数呈现急剧降低−缓慢增大−稳定的趋势，在内错距20～25 m 内应力及应力集中系数相对较小；③ 巷道围岩塑性区范围呈现先减小后增大的趋势，当巷道处于内错20，25 m 时巷道围岩破坏相对较小；④ 巷道变形量随着内错距增大而逐渐减小，当内错距增加至25 m 时，巷道围岩移进量基本保持不变；⑤ 确定巷道合理内错距为20～25 m。工程应用结果表明：巷道采用内错距24 m 布置时，巷道围岩松动破坏深度及变形量均在可控范围内，进一步证明了该内错距的合理性。

关键词：近距离煤层；综放工作面；巷道布置；围岩破坏；内错距；底板应力

中图分类号：TD353 文献标志码：A

0 引言

煤炭资源作为全球能源结构的重要组成部分，其安全、高效开采一直是矿业工程领域的重点[1-4]。但近距离煤层的采空区对下覆煤层的开采环境和工程稳定性带来了严峻挑战，特别是综放工作面巷道的布置，直接关系到工作面的开采效率、安全性及矿工的生命安全。因此，对近距离煤层采空区下综放工作面巷道的合理位置进行研究，具有重要的理论意义和实际应用价值。

近年来，许多学者针对近距离煤层开采巷道布置问题进行了大量的理论和实践研究，例如底板应力状态解析式及多因素影响下底板应力增高区定量关系的构建等，并基于底板应力分布特征，提出了确定下煤层回采巷道与遗留煤柱之间合理错距的方法，为巷道的合理布局提供了科学依据[5-10]。张宝优[11]针对极近距离煤层群分层开采支护难度大、危险性高的问题，探索了错层位巷道布置采煤法及区段间相邻巷道联合支护技术的应用前景。戴文祥等[12-13]采用理论分析、数值模拟和现场实测等方法，研究了上覆煤柱集中应力在底板的传递特征，优化了煤柱及巷道布置方式和围岩支护参数。郑俊林等[14]从理论和数值模拟的角度出发，研究了近距离煤层群开采下位煤层回采巷道的合理布置，分析了上位煤层开采后底板破坏深度、残留煤柱在底板中的应力分布等因素。张杰等[15]构建了上煤层遗留煤柱与铰接岩块的协同承载结构模型和底板应力传递计算模型，研究了上煤层遗留煤柱下底板应力及影响因素。王志强等[16-17]针对近距离煤层上行开采中上煤层台阶状下沉问题，采用数值和相似模拟模型，模拟了留煤柱和错层位巷道布置开采，分析了上行开采煤层垮落形式和卸压效果。刘超等[18]通过对比内错布置与外错布置的优缺点，提出了一种内外错相结合的回采巷道布置方式，并分析了煤柱宽度和巷道偏移距离对煤柱下巷道围岩变形的影响。刘洪涛等[19-20]对下层煤巷道非对称变形破坏机理进行了深入探究，结果表明，上覆煤层开采改变了巷道所处位置的主应力大小、主应力比值及应力偏转角，导致巷道非对称破坏。

上述研究分析了上煤层开采底板应力分布规律与破坏特征，为063535336300ba61089e70b1b123e44edfed0d7d3183002aa023c585e7b56c7e近距离煤层巷道合理位置的选择及围岩控制研究奠定了基础，但对于下煤层自身的采动活动造成的影响考虑不足。下煤层的区段煤柱面临上煤层煤柱在底板区域引起的应力集中问题，同时也承受着由于本煤层自身的采动活动而造成的影响。此外，厚煤层综放工作面开采空间大，采动强度高，极易导致巷道围岩破坏范围大而难以控制，故厚煤层综放工作面巷道合理位置的选取对后期支护控制起到关键性作用。因此，本文以内蒙古平庄煤业西露天煤矿作为研究背景，考虑下煤层自身的采动活动造成的影响，通过理论分析、数值模拟、现场监测等综合方法开展下综放工作面巷道合理位置研究。

1 工程背景

西露天煤矿主要可采煤层为1 煤层和2 煤层，煤层倾角为0～15°，平均倾角为7°，煤层平均间距为11.5 m，属于近距离煤层。1 煤层总厚度为30.14 m，分为3 个分层，厚度分别为11.55，11.2，7.39 m，煤层顶板以砂岩为主，次为泥岩，底板多为砂岩、泥岩，平均埋深为201.32 m；2 煤层厚度为7.16 m，煤层顶板以泥岩为主，底板一般为泥岩、砂岩。开采021N2 综放工作面时，根据现场实际需求，需在1 煤层1 分层布置011N1−1 接续工作面，由于煤层间距较小、厚度大，上部的2 煤层开采过程中，位于其下方的1 煤层1 分层将受到严重的采动影响，应力重分布，存在应力集中区和应力降低区，因此，1 煤层1 分层011N1−1综放工作面巷道面临合理位置布置及支护问题有待解决。021N2 工作面与1 煤层1 分层层位关系及各层岩性如图1 所示。