李福勝

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.中國神華國際工程有限公司，北京市東城區(qū)，100007）

在神東地區(qū)賦存大量淺埋深煤層群，煤層間距由10 m至40 m不等。由于埋深較淺，巷道圍巖應(yīng)力場不同于普通深井巷道，而多數(shù)礦井采用上下煤層同采才能達(dá)產(chǎn)，兩近距離煤層同采過程中，其應(yīng)力場相互影響，因此，淺埋深上下同采工作面巷道圍巖應(yīng)力場呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，根據(jù)該特點(diǎn)確定合理巷道布置方式對降低支護(hù)難度、保證礦井高產(chǎn)高效有重要意義。我國許多學(xué)者對不同地質(zhì)條件下巷道布置方式進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，索永錄、魯印英、李世昌、李斌等對極近距離、高瓦斯、急傾斜等不同條件下煤層群下層煤工作面巷道合理布置位置進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，但對于淺埋深上下煤層同采工作面鮮有研究。本文針對神華李家豪煤礦2－2煤層和3－1煤層同采時巷道的合理布置問題進(jìn)行研究，分析了不同布置方式、不同錯距條件下的應(yīng)力場，為淺埋近距離煤層巷道合理布置提供了理論依據(jù)。

1 工程概況

李家壕礦井田賦存多層可采煤層，傾角1°～3°，地質(zhì)構(gòu)造簡單，煤層埋深80～400 m；該礦煤層柱狀圖如圖1所示。2－2上煤層、2－2下煤層和3－1上煤層都不穩(wěn)定，為零星可采煤層，2－2中煤層和3－1煤層為主采煤層。礦井投產(chǎn)初期需要600萬t／a才能達(dá)產(chǎn)，2－2煤層和3－1煤層同采才能滿足生產(chǎn)要求。2－2中煤層可采厚度0.80～4.75 m，平均2.02m，首采工作面為11208工作面。3－1煤層自然厚度0.75～8.23 m，平均4.08 m，可采厚度0.80～7.05 m，平均3.86 m。首采工作面為12108工作面，采用單一傾斜長壁后退式全部垮落綜合機(jī)械化俯斜開采的采煤方法。

圖1 李家壕煤礦煤層柱狀圖

2 巷道布置方式的選擇

在煤層開采之后，2－2煤層頂?shù)装鍛?yīng)力重新分布，頂?shù)装鍘r體發(fā)生位移變形，甚至破壞。工作面后方已經(jīng)開采的區(qū)域頂板巖層的重量會移至其四周未被采動煤巖層上，因此采空區(qū)周圍形成支承壓力帶，分別為移動性支承壓力、固定支承壓力和采空區(qū)支承壓力。11208工作面巷道外幫煤壁受側(cè)向支承壓力區(qū)的影響，存在應(yīng)力峰值，內(nèi)幫為減壓區(qū)，如圖2所示。

圖2 上煤層開采后側(cè)向支承壓力

由于下煤層厚度為上煤層的2倍，選擇巷道布置方式時，應(yīng)重點(diǎn)考慮下煤層回收率及巷道維護(hù)難易程度。

若3－1煤層巷道選擇內(nèi)錯式，其巷道將布置于減壓區(qū)下方，應(yīng)力不大，巷道易于施工和維護(hù)。但回采過程中受上煤層采動影響劇烈，位移量較大，而且當(dāng)采用錨桿支護(hù)巷道時巷道不會得到有效的錨固，支護(hù)效果很差，巷道維護(hù)較困難，工作面長度有所縮短，資源回收率降低。若采用重疊式，回采期間巷道頂板受應(yīng)力集中較大，且煤柱處于上煤層形成的高剪應(yīng)力區(qū)，礦壓顯現(xiàn)劇烈，給下煤層回采巷道的掘進(jìn)及維護(hù)會帶來很大影響。若采用外錯式，下煤層巷道將位于上煤層形成的側(cè)向支承壓力區(qū)，應(yīng)力集中不利于巷道維護(hù)，但工作面長度加大，回采率高，煤炭損失量小。

經(jīng)上述分析，選擇外錯式布置方式較合理，3－1煤層煤柱尺寸減小，使得其回收率提高。由于2－2煤層較薄，其側(cè)向支承壓力不大，應(yīng)力集中系數(shù)也不太大。因此選用外錯式布置方式時外錯距離是關(guān)鍵，合理的外錯距離能使下煤層巷道避開應(yīng)力峰值區(qū)域，降低巷道維護(hù)難度。

3 巷道合理錯距數(shù)值模擬分析

為研究李家豪礦下煤層巷道外錯合理距離，建立FLAC3D數(shù)值模型。根據(jù)李家豪礦實(shí)際地質(zhì)資料，將模型中力學(xué)性質(zhì)相近且厚度較小的巖層互相組合，建立走向300 m、傾向200 m、高度150 m的數(shù)值模型。模型上邊界埋深為50 m，在其上方施加1.25 MPa的垂向載荷表示松散層自重。

圖3所示為12108工作面推進(jìn)方向上巷道頂?shù)装宕怪睉?yīng)力分布規(guī)律。模擬中，巷道共開挖了100 m，上煤層工作面推進(jìn)至50 m時分析對下層巷道應(yīng)力分布影響。由圖3可知，上工作面開采對下巷道不同錯距時頂?shù)装鍛?yīng)力分布影響變化較明顯，以采空區(qū)后方巷道底板的應(yīng)力變化特征對不同錯距時下層巷道頂?shù)装鍛?yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行研究。單層開采時巷道底板應(yīng)力等值線呈 “枕形”分布，且分布較均勻；煤層群同采下層巷道外錯4 m時處于上層煤采空區(qū)后方的巷道底板應(yīng)力等值線出現(xiàn)向下凸的現(xiàn)象，整個巷道底板應(yīng)力等值線呈一側(cè)高的“馬鞍形”分布，如圖3（a）所示；隨著外錯距離的增大，等值線下凸現(xiàn)象逐漸消失，當(dāng)錯距16 m時底板等值線基本已恢復(fù) “枕形”分布，如圖3（b）、3（c）、3（d）所示。

圖3 12108工作面巷道垂直應(yīng)力分布俯視圖

可見上層工作面采動對下層巷道底板的卸壓范圍會產(chǎn)生影響，以應(yīng)力降低40%為卸壓界限，外錯距離越大底板巷道底板卸壓深度逐漸減小。如圖4所示，單層開采時卸壓深度為3.28 m，4 m錯距時卸壓深度最大為6.59 m，10 m錯距時為3.60 m，12 m錯距時為3.40 m，16 m錯距時卸壓深度最小為3.32 m，卸壓深度減小的速度越來越小，12 m錯距以上時卸壓深度變化幅度已非常小，工作面采動對巷道底板卸壓發(fā)育深度影響趨于消失。由此確定12 m為3－1煤巷道合理的外錯距離。

圖4 12108工作面巷道底板垂直應(yīng)力分布曲線

4 現(xiàn)場實(shí)施效果

根據(jù)理論和模擬的分析結(jié)果，李家豪12108工作面巷道外錯上煤層11208工作面12 m布置，如圖5所示。

圖5 11208和12108工作面巷道布置示意圖

巷道表面變形觀測是在材料巷進(jìn)行的，材料巷超前支護(hù)約40 m，變形觀測時間70 d，共獲得了300多個觀測數(shù)據(jù)。對這些觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理分析，繪出了巷道移近量及移近速度圖。巷道內(nèi)第1＃，2＃，3＃，4＃，5＃，6＃，7＃測點(diǎn)距工作面距離分別為20 m，30 m，40 m，50 m，60 m，70 m，80 m，其頂?shù)装搴蛢蓭拖鄬σ平考耙平俣鹊挠^測結(jié)果如圖6、圖7所示。

由以上數(shù)據(jù)可知，12108工作面材料巷道表面在回采期間在超前支護(hù)的作用下，臨近工作面頂?shù)装寮皟蓭臀灰屏考拔灰扑俣却?，隨著距離越來越遠(yuǎn)，當(dāng)接近60 m時采動影響已經(jīng)很弱，當(dāng)距離工作面80 m時，巷道圍巖位移不明顯，位移速度已經(jīng)很小，說明巷道已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。另外，當(dāng)工作面回采時，各個測站斷面的頂?shù)装逡平亢蛢蓭褪諗孔冃瘟吭诠ぷ髅娓浇容^明顯，頂?shù)装迨諗孔冃蜗鄬蓭鸵平縼碚f要大一些，說明盡管頂板已經(jīng)進(jìn)行錨網(wǎng)支護(hù)，但頂?shù)装鍑鷰r破壞應(yīng)力仍然較大，礦山壓力顯著，所以在回采工作中要及時關(guān)注巷道變化，加強(qiáng)工作面前方超前支護(hù)強(qiáng)度。當(dāng)遠(yuǎn)離工作面時，無論是頂?shù)装暹€是兩幫位移及移動速度都基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，可見12108工作面回采巷道與上層回采巷道外錯12 m能夠滿足工作面正常推進(jìn)的要求，同時現(xiàn)場采用的支護(hù)方式也起到了很好的效果，較好地維護(hù)了工作面巷道的穩(wěn)定性。

圖6 巷道圍巖位移

圖7 巷道圍巖移進(jìn)速度

5 結(jié)論

（1）通過理論分析，確定了外錯式巷道布置方式最適合于李家豪煤層群上下煤層同采工作面，下煤層巷道應(yīng)避開上煤層工作面巷道側(cè)向支承壓力峰值區(qū)域。

（2）通過數(shù)值模擬，確定下煤層巷道外錯12 m為合理錯距，由巷道應(yīng)力云圖可知，外錯12 m以上時，巷道在采掘影響下圍巖應(yīng)力基本與單層煤開采特征一致。

（3）李家豪采用外錯12 m的巷道布置方式不僅提高了3－1煤層的回收率，而且巷道在采掘過程中滿足生產(chǎn)、安全要求。

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