劉曉明，李鐵崢，雷學(xué)濤，黃海鵬，李 楊，任玉琦，王文迪

(1.國家能源集團寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司 梅花井煤礦，銀川 寧夏 751400；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083)

隨著淺部煤炭資源逐漸趨于枯竭，礦井深部延伸已成為資源開發(fā)的必然趨勢[1-3]。進入深部開采階段后，地質(zhì)條件復(fù)雜、巖體破裂程度加劇、地應(yīng)力增大、地溫升高等問題顯著。對于近距離煤層開采，由于下位煤層受到上位煤層開采以及煤柱的影響，其巷道的礦山壓力顯現(xiàn)明顯[4-10]，礦井安全問題更為突出。因此，合理的下位煤層巷道位置對保障下位煤層安全高效開采有著極其重要的意義。

針對近距離煤層下位煤層巷道合理位置的確定，專家學(xué)者進行了大量的研究。孔德中等[11]通過理論分析和數(shù)值模擬的方法，得到了殘留煤柱底板應(yīng)力場具有明顯的非均勻分布特征，分析了巷道在非均勻載荷作用的變形破壞特征，進而確定了下位煤層巷道的合理位置；何富連等[12]基于主應(yīng)力差確定了遺留煤柱影響下下位煤層巷道的合理位置，并給出了合理的巷道支護方案，現(xiàn)場應(yīng)用效果良好；魏煒杰等[13]采用PFC模擬的方法，探究了急傾斜煤層水平分段綜放開采巷道位置與殘煤形態(tài)、煤炭采出率的關(guān)系，確定了急傾斜煤層底板巷道的合理位置；蓋德成等[14]分析了遺留煤柱效應(yīng)下底板沖擊破壞機理，認為底板最大破壞范圍僅與煤柱寬度和底板巖層內(nèi)摩擦角有關(guān)，確定了巷道的合理位置，避免了巷道沖擊地壓發(fā)生的力源；王厚柱等[15]利用直流電法探測了深部近距離煤層開采底板破壞深度，發(fā)現(xiàn)先開采上煤層比直接開采本煤層的底板擾動程度更低；索永錄等[16]探究了極近距離煤層下位煤層巷道采用內(nèi)錯、重疊、外錯布置時的破壞、變形與應(yīng)力特征，綜合確定了巷道的合理內(nèi)錯距；馬振乾等[17]研究了近距離煤層重復(fù)開采過程中底板應(yīng)力的演化規(guī)律，認為底板應(yīng)力的分布具有明顯的周期性波動現(xiàn)象，并針對性的提出了巷道合理支護方案；王連國等[18]基于工作面走向和傾向支承壓力分布規(guī)律建立了采場底板應(yīng)力分布模型，探究了底板煤巖層的應(yīng)力分布特點，結(jié)合微震監(jiān)測確定了采場底板的破壞范圍。大多數(shù)學(xué)者對單一層間距近距離煤層巷道布置有一定研究，然而在煤層地質(zhì)沉積作用下，近距離煤層在同一個采區(qū)，乃至同一個工作面中的煤層厚度、層間距離、層間巖性等差異較大，將呈現(xiàn)出不同的破壞范圍與應(yīng)力特征表現(xiàn)不同。因此，本文以鴛鴦湖礦區(qū)梅花井煤礦23采區(qū)232204工作面為研究對象，綜合運用理論分析、現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬的方法，確定了下位煤層回采巷道的合理位置，為23采區(qū)的深部延伸提供了指導(dǎo)意義。

1 工程概況

寧夏回族自治區(qū)鴛鴦湖礦區(qū)梅花井煤礦23采區(qū)煤系地層主要包括2層可采煤層，分別為上位2號煤層與下位3號煤層。結(jié)合礦井水文地質(zhì)可知，2號煤層與3號煤層間距在23采區(qū)中變化范圍大，層間距最小約為0.87 m，最大約為18.18 m，如圖1所示。232204工作面是23采區(qū)的第二個工作面，其走向長度1616 m，傾向長度302.7 m，地面標高為+1353～+1381 m，工作面標高為+659～+765 m，主采的2號煤層平均厚度為5.6 m，平均傾角5.6°。232204工作面北部為232201工作面采空區(qū)，之間留設(shè)30 m區(qū)段煤柱，南部是DF3斷層，東部為23采區(qū)邊界煤柱，西部為23采區(qū)大巷，如圖2所示。當前23采區(qū)上位2號煤層開采至末期，需要向下延伸至3號煤層，由于23采區(qū)煤層間距變化范圍大，且受到南部DF3斷層的限制，因此急需對3號煤層233204工作面的合理位置進行確定，233204工作面設(shè)計位置(紅色虛線位置)如圖2所示。

圖1 水文地質(zhì)剖面

圖2 233204工作面設(shè)計位置

2 煤層開采底板破壞范圍

2.1 理論計算

在進行近距離煤層下行開采時，上位煤層開采必然會對底板產(chǎn)生一定程度的破壞。當上、下位煤層層間距小于上煤層開采底板破壞范圍時，下位煤層本身及其頂板的完整性會受到破壞。依據(jù)塑性力學(xué)中的塑性滑移線場理論[19]，如圖3所示，得到煤層底板破壞范圍計算公式。

圖3 煤層底板塑性破壞力學(xué)模型

式中，φ為底板巖層的平均內(nèi)摩擦角，(°)；x0為采場前方支承壓力峰值與工作面煤壁之間的距離，m。

通過巖體極限平衡理論可以計算得到：

則煤層底板破壞深度h為：

式中，M為煤層采高，m；Cm為煤體內(nèi)聚力，MPa；φm為煤層的內(nèi)摩擦角，(°)；K為側(cè)向壓力集中系數(shù)，K取值為2.0；γ為上覆巖層的平均體積力，γ取25 kN/m3；D為煤層埋深，m；f為煤層與頂?shù)装褰佑|面的摩擦因數(shù)；ξ為煤體三軸應(yīng)力系數(shù)，ξ=(1+sinφm)/(1-sinφm)。

梅花井礦2號煤層實際地質(zhì)參數(shù)見表1。通過改變底板巖層內(nèi)摩擦角和煤層采高，得到煤層底板破壞深度的變化特征，如圖4所示。當?shù)装鍘r層的內(nèi)摩擦角從25°增加到50°時，底板破壞深度從9.06 m呈指數(shù)型趨勢增加到27.1 m；當煤層采高從1 m增加到6 m，底板巖層破壞深度從3.16 m線性增加到18.95 m，由此可知，底板巖層內(nèi)摩擦角和煤層采高對底板巖層的破壞深度具有顯著影響。

表1 2號煤層相關(guān)參數(shù)取值

圖4 底板破壞深度變化規(guī)律

根據(jù)式(1)—式(4)，結(jié)合5組層間鉆孔信息，計算得到近距離煤層變層間距條件下底板巖層破壞深度，見表2。僅鉆孔M505層間巖層厚度大于底板破壞深度，其余鉆孔的層間巖層厚度均小于底板破壞深度，由此可知，下位3號煤層大范圍會受到上位2號煤層開采引起的擾動破壞，因此，下位3號煤層回采巷道布置應(yīng)避開上位煤層應(yīng)力集中影響區(qū)域。

表2 破壞深度理論計算結(jié)果

2.2 底板破壞深度實測

采用ZTR12系列地質(zhì)雷達對梅花井煤礦上位2號煤層開采底板30 m范圍內(nèi)的巖層破壞情況進行探測。通過對采集到的信號數(shù)據(jù)進行零線標定、濾波、去噪、增益控制等處理，得到了2號煤層開采后底板巖層的破壞情況，如圖5所示。

圖5 地質(zhì)雷達探測結(jié)果

通過相位差異可知，上位2號煤層開采后，底板巖層18 m范圍內(nèi)出現(xiàn)強反射區(qū)，裂隙密集發(fā)育，底板巖層的破壞深度約為18 m。

3 變層間距開采底板破壞數(shù)值模擬

為指導(dǎo)梅花井煤礦上位2號煤層232204工作面開采后下位3號煤層233204工作面回采巷道的布置，建立UDEC數(shù)值模型，探究變層間距條件下232204工作面開采后的底板煤巖層的裂隙發(fā)育特征及應(yīng)力分布特征，進而確定下位3號煤層233204工作面的合理巷道位置。

3.1 模型建立

以梅花井煤礦232204工作面5個層間鉆孔柱狀信息為依據(jù)，建立5組UDEC數(shù)值模型。模型長和高均為300 m和150 m。模型左右兩側(cè)為水平位移約束，底部為垂直位移約束，模型頂部設(shè)定為垂直應(yīng)力約束，給定均布載荷為10.62 MPa來模擬未建立的實際地層。

3.2 參數(shù)選擇

5組數(shù)值模型均采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，結(jié)合煤系地層鉆孔柱狀的巖性特征，數(shù)值模型中各煤巖層物理力學(xué)參數(shù)見表3。

3.3 模擬方案與步驟

為了消除數(shù)值計算過程中模型邊界效應(yīng)的影響，各模型兩側(cè)均留設(shè)80 m的邊界煤柱，工作面沿傾向每次開挖20 m，累計開挖140 m(約為232204工作面長度的一半)。將232204工作面5組層間鉆孔柱狀的煤系地層賦相同參數(shù)，計算至初始地應(yīng)力平衡，接著對上位2號煤層進行開挖，每開挖一步，計算至平衡，直至開挖結(jié)束。

3.4 模擬結(jié)果分析

3.4.1 底板巖層裂隙發(fā)育特征

5組層間鉆孔柱狀情況下，上位煤層開采后底板巖層的裂隙發(fā)育程度如圖6所示，圖6中紅色線條為裂隙。由圖可知，在上位煤層工作面的采動影響下，底板巖層出現(xiàn)不均勻鼓起，即底板巖層產(chǎn)生橫向離層裂隙；而當?shù)装鍘r層受到的拉應(yīng)力超過其極限抗拉強度時，會導(dǎo)致底板巖層的破斷而出現(xiàn)縱向破斷裂隙。

圖6 底板裂隙發(fā)育與應(yīng)力分布

在上位煤層開采后，5組層間距條件下，底板裂隙發(fā)育范圍均會呈現(xiàn)出由上至下逐漸遞減的倒梯形分布區(qū)域。5組層間鉆孔柱狀條件下底板巖層的破壞深度見表4。數(shù)值模擬結(jié)果與理論計算結(jié)果高度吻合。

表4 底板巖層破壞深度的數(shù)值模擬結(jié)果

由表可知，M505鉆孔對應(yīng)的數(shù)值模型底板巖層的裂隙發(fā)育深度為17.71 m，小于層間巖層厚度，說明底板巖層裂隙未發(fā)育至下位3號煤層，3號煤層的完整性良好。610、M407、M307和1810鉆孔對應(yīng)的數(shù)值模型底板巖層的裂隙發(fā)育深度分別為20.19，14.48，19.95，14.49 m，均大于層間巖層厚度，說明底板巖層裂隙已經(jīng)發(fā)育至下位3號煤層甚至達到基本底位置，3號煤層的完整性受到影響，因此，下位3號煤層回采巷道的布置應(yīng)盡量避開巷道圍巖破碎范圍，即布置在巷道圍巖完整性較好的區(qū)域內(nèi)。

3.4.2 底板巖層應(yīng)力分布特征

5組層間鉆孔柱狀情況下，上位煤層開采后底板巖層的應(yīng)力分布如圖6所示。上位煤層開采使得底板巖層的應(yīng)力狀態(tài)受到擾動而導(dǎo)致應(yīng)力的重新分布。上位煤層采空區(qū)下底板巖層會形成應(yīng)力降低區(qū)，而邊界煤柱下底板巖層會形成應(yīng)力增高區(qū)。圖中黃色斜線為應(yīng)力降低區(qū)與應(yīng)力增高區(qū)的分界線，其與垂直方向(綠色虛線)的夾角即為應(yīng)力影響角δ。M505、610、M407、M307和1810鉆孔對應(yīng)的應(yīng)力影響角為23°、16°、21°、27°和24°，結(jié)合5組鉆孔層間間距，分別計算得到底板應(yīng)力降低區(qū)與邊界煤柱的最小水平距離見表5。

表5 底板巖層應(yīng)力傳遞影響角及應(yīng)力降低范圍

綜上，為避免煤柱應(yīng)力集中的影響，梅花井煤礦下位3號煤層回采巷道應(yīng)與邊界煤柱內(nèi)錯9.69 m，在考慮1.5倍的安全系數(shù)后，最終采取內(nèi)錯15 m布置，如圖7所示。

圖7 下位煤層巷道布置

4 巷道分區(qū)支護方案設(shè)計

依據(jù)實際地質(zhì)條件，結(jié)合上位2號煤層232204工作面與下位3號煤層233204工作面變層間距的實際情況，提出3號煤層回采巷道分區(qū)支護方案。結(jié)合上位2號煤層巷道設(shè)計尺寸，設(shè)計下位3號煤層回采巷道的設(shè)計斷面尺寸為6200 mm×4300 mm的直墻半圓拱形巷道。

4.1 上下位煤層層間距小于5 m時支護方案

上下位煤層層間距小于5 m時，下位煤層巷道(圖7中的紅圈區(qū)域)支護方式如下：

1)巷道頂板錨桿支護采用?22 mm×2000 mm的高強左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm，每排布置11根錨桿；錨桿端部使用300 mm×300 mm×16 mm鐵托板，全長錨固；錨固力不低于50 kN，其扭矩不小于140 N·m。頂板金屬網(wǎng)尺寸設(shè)計為5000 mm×900 mm。

2)巷道幫部采用?22 mm×2500 mm的高強左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿的間排距為600 mm×800 mm，兩幫和底角共打6根錨桿，底角錨桿的傾角為15°，托盤規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm；兩幫掛網(wǎng)至最幫部最下一根錨桿；兩幫錨桿設(shè)計錨固力不小于50 kN，扭矩不低于140 N·m。

3)巷道加強支護選用架棚支護，U型支架采用29U型鋼加工，每架三節(jié)組成，拱梁與柱腿搭接處采用兩個卡纜固定，卡纜采用29U型鋼標準卡纜，外形為雙槽形夾板式并帶有限位塊。柱鞋采用10 mm厚鋼板加工，規(guī)格為200 mm×200 mm×10 mm，與柱腿焊接牢固。鋼支架間距為0.8 m。

4.2 上下位煤層層間距大于5 m時支護方案

上下位煤層層間距大于5 m時，下位煤層巷道(圖7中的藍圈區(qū)域)支護方式如下：

1)巷道頂板錨桿支護采用?22 mm×2500 mm的高強左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿的間排距為800 mm×800 mm，每排布置11根錨桿；錨桿端部使用300 mm×300 mm×16 mm鐵托板，采用樹脂錨固劑進行全長錨固；頂板錨桿設(shè)計錨固力不小于50 kN，錨桿扭矩不低于140 N·m。頂板鋪設(shè)金屬網(wǎng)，規(guī)格為5000 mm×900 mm。巷道頂板錨索支護采用?21.8 mm×6150 mm鋼絞線，錨索的間排距為1800 mm×1600 mm，每根錨索使用2節(jié)MSK2370型樹脂藥卷進行錨固，每根錨索配套使用300 mm×300 mm×16 mm鐵托板張緊，頂板錨索設(shè)計預(yù)緊力180 kN，并配合W型鋼帶。

2)巷道幫部采用?20 mm×2500 mm的高強左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿的間排距為600 mm×900 mm，兩幫和底角共打6根錨桿，底角錨桿的傾角為15°，托盤規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm；兩幫掛網(wǎng)至最幫部最下一根錨桿；兩幫錨桿設(shè)計錨固力不小于50 kN，扭矩不低于140 N·m。

3)巷道幫部增設(shè)幫錨索，規(guī)格為?21.8 mm×4150 mm。幫錨索設(shè)置在幫部偏上位置，替換相應(yīng)位置的幫錨桿，每2排替換一根，打設(shè)幫部錨索時，將原有的鋼帶托盤更換為與錨桿匹配的鋼帶，使得幫部錨索與另2根錨桿形成一個整體。

5 結(jié) 論

1)通過理論計算了梅花井煤礦上位2號煤層的底板破壞范圍，得出煤層采高與底板巖層內(nèi)摩擦角對底板破壞深度具有顯著影響；上位2號煤層變層間距開采導(dǎo)致的煤層底板破壞深度最大為19.57 m，會對下位煤層造成一定程度破壞，因此3號煤層回采巷道布置應(yīng)考慮避免煤層上方應(yīng)力集中的影響。

2)運用UDEC數(shù)值模擬得到上位煤層開采后下位煤巖層的裂隙發(fā)育特征及采場應(yīng)力分布特征。5種層間距下的裂隙發(fā)育范圍皆呈倒梯形，其中4種層間距下的底板裂隙發(fā)育均與下位煤層導(dǎo)通并延伸至下煤層底板，數(shù)值模擬結(jié)果與理論計算結(jié)果高度一致。由底板應(yīng)力場分布特征得到了不同層間距對應(yīng)的應(yīng)力降低區(qū)與邊界煤柱的水平距離，最大為9.69 m。

3)考慮安全系數(shù)后，最終確定梅花井礦3號煤層回采巷道采用內(nèi)錯15 m布置。根據(jù)煤礦變層間距開采的實際情況，巷道采用架鋼棚支護與錨網(wǎng)帶索支護相結(jié)合的動態(tài)分區(qū)支護方式，可為條件相似的巷道布置提供參考。