馮 杰

（山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司岳城煤礦，山西 晉城 048000）

我國多數(shù)煤田賦存有多層距離比較近的可采或局部可采的煤層[1-2]。隨著煤層間距離減小，上下煤層間開采相互影響的程度會(huì)逐漸增大，更易誘發(fā)沖擊地壓[3-4]。岳城煤礦3上和3下煤層為兩層極近距厚煤層，3上層煤開采嚴(yán)重破壞了下層煤頂板的完整性，圍巖穩(wěn)定性差，再加上受3上煤層開采時(shí)遺留煤柱在底板形成集中壓力的影響，3下煤層窄煤柱的留設(shè)和工作面的布置是亟待解決的問題。

1 工程地質(zhì)條件

3上1101工作面埋深約600m，走向長(zhǎng)1110～1246m，平均1178m，傾斜長(zhǎng)223m，煤層厚度4.4～6.4m，平均5.1m，煤層傾角4～27°，平均16°。3下1101工作面埋深約600m，走向長(zhǎng)1286～1302m，平均1294m，傾斜長(zhǎng)174m，煤層厚度1.8～5.0m，平均3.7m，煤層傾角，5～26°，平均17°。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣和巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，3號(hào)煤層圍巖力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 圍巖力學(xué)參數(shù)

2 區(qū)段留窄煤柱防沖技術(shù)

2.1 區(qū)段窄煤柱留設(shè)

3上與3下煤層的區(qū)段間均留窄煤柱沿空掘巷開掘下區(qū)段巷道。根據(jù)兩層煤之間的層位布置關(guān)系，3上工作面材料巷和3上509工作面運(yùn)輸巷間的窄煤柱在3下1101工作面的中間位置，可能會(huì)對(duì)3下1101工作面頂板造成一定程度的應(yīng)力集中。同時(shí)，3下工作面區(qū)段間留設(shè)窄煤柱，也可能會(huì)引起3下1101工作面的巷道的應(yīng)力集中，造成巷道管理困難，因此對(duì)近距煤層開采（區(qū)段間留煤柱沿空掘巷），煤柱寬度的選取尤其重要[5]。

2.2 防沖效果模擬

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及觀察現(xiàn)象，采用大型非線性三維數(shù)值模擬計(jì)算軟件（FLAC3D）分別對(duì)3m的窄煤柱及15m的煤柱進(jìn)行數(shù)值模擬，分析在這兩種條件下煤柱對(duì)頂板控制作用的優(yōu)劣[6]。

（1）數(shù)值模擬模型

結(jié)合西五采區(qū)3號(hào)煤層地質(zhì)條件，以上述提出的兩種留煤柱沿空掘巷方案為背景，建立FLAC3D模型進(jìn)行數(shù)值模擬。模型長(zhǎng)1040m，寬800m，高280m，共劃分450320個(gè)單元，470926個(gè)節(jié)點(diǎn)。在節(jié)省單元，提高運(yùn)算速度的同時(shí)，為保證計(jì)算精度，按區(qū)域需要考慮輕重來調(diào)整單元的疏密。

（2）數(shù)值模擬結(jié)果及分析

圖1 3上工作面煤柱內(nèi)部垂直應(yīng)力分布圖

圖1為開采3上507、3上509及3上1101工作面后，3m煤柱和15m煤柱內(nèi)部的垂直應(yīng)力分布情況。煤柱內(nèi)部的原巖應(yīng)力為13.7MPa，3m煤柱內(nèi)部應(yīng)力值最大為3.13MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原巖應(yīng)力，不存在應(yīng)力集中；而15m煤柱內(nèi)部應(yīng)力值最大為29.2MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原巖應(yīng)力，應(yīng)力集中系數(shù)為2.13。窄煤柱自身無法承擔(dān)上覆巖層的重量，內(nèi)部無法儲(chǔ)存彈性能，煤柱不斷被壓酥至破壞，因此煤柱內(nèi)部不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象；15m煤柱對(duì)于上覆巖層有一定的承載能力，煤柱自身能夠儲(chǔ)存彈性能，煤柱內(nèi)部將會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖2 3下工作面頂板垂直應(yīng)力分布剖面圖（沿地層傾向）

圖3 煤柱處垂直應(yīng)力分布剖面圖

如圖2所示分別為開采3上507、3上509及3上1101工作面后，3下工作面頂板的垂直應(yīng)力分布圖，圖3為煤柱處的垂直應(yīng)力分布情況剖面圖。從圖中可以看出3m煤柱應(yīng)力影響區(qū)域遠(yuǎn)小于15m煤柱，頂板應(yīng)力分布較為平緩；而15m煤柱對(duì)應(yīng)于3下工作面頂板的區(qū)域出現(xiàn)了應(yīng)力集中，頂板應(yīng)力分布不均勻。因此若留設(shè)15m煤柱護(hù)巷，當(dāng)3下煤層開采時(shí)，本就十分薄弱的頂板將更加難以維護(hù)。

綜上所述，留設(shè)3m窄煤柱頂板整體下沉，頂板應(yīng)力分布平緩，保留了上覆巖層完整性。不僅對(duì)于預(yù)防3下煤層沖擊地壓和頂板維護(hù)具有顯著效果。還有利于提高煤炭采出率。

3 工作面錯(cuò)位布置防沖技術(shù)

3.1 工作面錯(cuò)位布置

岳城煤礦3上、3下兩層極近距煤層開采時(shí)采用錯(cuò)位布置如圖4所示，3下1101工作面和3下509工作面與3上煤層工作面錯(cuò)位布置，即下層煤運(yùn)輸巷、材料巷布置在上層煤采空區(qū)的下方，3下1101工作面和3上1101工作面錯(cuò)位布置。

圖4 工作面巷道布置

3.2 防沖效果模擬

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)條件，建立數(shù)值模型，研究在3上工作面回采巷道和3下工作面回采巷道錯(cuò)位布置或重疊布置對(duì)圍巖應(yīng)力的影響。

（1）對(duì)回采巷道的影響

圖6 3下工作面回采巷道圍巖垂直應(yīng)力剖面圖

圖5和6分別為3下1101與3上1101工作面回采巷道錯(cuò)位布置和重疊布置時(shí)，沿地層傾向頂板垂直應(yīng)力剖面圖和沿垂直工作面推進(jìn)方向巷道垂直應(yīng)力剖面圖。從圖中可以看出錯(cuò)位布置時(shí)整個(gè)覆巖沒有明顯的應(yīng)力集中區(qū)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在回采巷道的左幫，峰值為20.35MPa，頂板應(yīng)力分布比較均勻，巷道頂板應(yīng)力較小，應(yīng)力峰值為13MPa。重疊布置時(shí)最大應(yīng)力也出現(xiàn)在回采巷道的左幫，峰值為25.1MPa，巷道頂板應(yīng)力峰值為18.5MPa，其煤柱側(cè)巷幫變形較錯(cuò)位布置時(shí)嚴(yán)重。

（2）下煤層工作面超期支承壓力模擬分析

圖7為3下509工作面沿走向推進(jìn)300m時(shí)頂板垂直應(yīng)力分布圖，留設(shè)在3上煤層的窄煤柱，對(duì)應(yīng)于3下工作面區(qū)域會(huì)造成一定程度的應(yīng)力影響，與工作面推采時(shí)的頂板超前支承應(yīng)力疊加會(huì)使超前應(yīng)力峰值增大。工作面前方未受煤柱壓力影響區(qū)域頂板的超前支承應(yīng)力峰值為7MPa，疊加處應(yīng)力峰值為9MPa，可知3上工作面遺留煤柱對(duì)頂板超前支承應(yīng)力的疊加不大，不會(huì)對(duì)工作面正常推進(jìn)造成影響，對(duì)3下工作面開采時(shí)沖擊地壓的防治有積極的作用。

圖7 3下煤層走向推進(jìn)300m頂板垂直應(yīng)力分布圖

綜上所述，對(duì)于極近距煤層開采，3下煤層工作面采取錯(cuò)位布置，巷道布置在采空區(qū)下方，頂板壓力不大，有利于對(duì)巷道的支護(hù)及管理；工作面開采時(shí)3上煤層的煤柱對(duì)工作面的頂板壓力作用不大，工作面圍巖也沒有明顯應(yīng)力集中區(qū)，最大應(yīng)力不超過9MPa。采用錯(cuò)位布置是比較合理的巷道布置方式，對(duì)3下煤層工作面的防沖具有積極的作用。

4 結(jié)論

（1）留設(shè)3m窄煤柱頂板整體下沉，頂板應(yīng)力分布平緩，保留了上覆巖層完整性，不僅對(duì)于預(yù)防3下煤層沖擊地壓和頂板維護(hù)具有顯著效果，還有利于提高煤炭采出率。

（2）對(duì)于極近距煤層開采，3下煤層工作面采取錯(cuò)位布置，巷道布置在采空區(qū)下方，頂板壓力不大，有利于對(duì)巷道的支護(hù)及管理。

（3）對(duì)于具有沖擊危險(xiǎn)性的極近距煤層，采用“窄煤柱護(hù)巷+錯(cuò)位巷道布置”防沖方案，可以大大降低工作面沖擊危險(xiǎn)性。