李 忠

（山西焦煤西山煤電西銘礦，山西 太原 030052）

0 引言

當(dāng)前，隨著煤炭資源開采強(qiáng)度的增大，為提升開采效率，近距離煤層群的開采已經(jīng)成為很多礦區(qū)面臨的主要任務(wù)。但近距離煤層群之間因各層距離較小，在開采過(guò)程中，各煤層之間經(jīng)常存在影響而造成下部煤層頂板出現(xiàn)完整性破壞，以及礦壓過(guò)高等不利因素。為規(guī)避這些問(wèn)題，就需要對(duì)近距離煤層群開采模式下的回采巷道布置工作進(jìn)行綜合研究，以提升開采效率及安全性[1]。

1 工程概況

某煤礦井田總面積約為60 km2，屬低瓦斯礦井，海拔標(biāo)高約為1 050 m，共有含煤層4～19 層，其中可采煤層有2～12 層。含煤層平均厚度為17.57 m。當(dāng)前，隨著開采工作的進(jìn)一步推進(jìn)，礦井方面擬對(duì)其中的兩個(gè)可采煤層進(jìn)行開采，其中，2#煤層整體較為穩(wěn)定，平均厚度約為2.98 m，煤層頂板主要為粉砂巖，底板主要為粉砂巖、泥巖；4#煤層穩(wěn)定程度較差，平均厚度約為2.01 m，部分存在裸露自燃現(xiàn)象。

在開采工作開始前，勘查人員首先對(duì)目標(biāo)煤層進(jìn)行巷道松動(dòng)圈測(cè)試，以分析工作面回采過(guò)程對(duì)巷道可能產(chǎn)生的影響。本環(huán)節(jié)采用YSZ 鉆孔窺視儀進(jìn)行測(cè)試，在測(cè)試過(guò)程中，充分考慮薄弱斷面和存在特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)的斷面進(jìn)行測(cè)試，并選取具有代表性的結(jié)果進(jìn)行重點(diǎn)分析。測(cè)試后獲得的典型斷面測(cè)試結(jié)果，如圖1 所示。

圖1 典型斷面測(cè)試結(jié)果圖

從圖1 中可見(jiàn)，在探測(cè)區(qū)域內(nèi)裂縫較為明顯，存在較大裂縫，部分節(jié)點(diǎn)變形較大且出現(xiàn)破碎情況，經(jīng)過(guò)分析后確定松動(dòng)圈范圍達(dá)到3.3 m。在查閱相關(guān)資料后獲知，該區(qū)域老頂未垮落時(shí)松動(dòng)圈范圍為2.1 m，二者差值較為顯著，證明工作面回采會(huì)導(dǎo)致運(yùn)輸巷道受到更多不利影響，需要對(duì)巷道的布置進(jìn)行合理優(yōu)化。

2 回采巷道整體方案布置

2.1 煤柱尺寸確定

根據(jù)相關(guān)理論分析可知，上部煤層留設(shè)煤柱的支承壓力將傳導(dǎo)至下部煤層巷道中，對(duì)于下部煤層巷道的穩(wěn)定性必然產(chǎn)生一定影響[2]。同時(shí)，影響煤柱寬度的因素又相對(duì)較多，包括支承壓力、受力狀況、自身承載能力和采動(dòng)頻率等。一般情況下，當(dāng)留設(shè)煤柱兩側(cè)因受力產(chǎn)生塑性變形時(shí)，其通常會(huì)出現(xiàn)一個(gè)彈塑變形區(qū)，該區(qū)域又可細(xì)分為破裂區(qū)、塑性區(qū)和應(yīng)力升高彈性區(qū)三部分，其基本示意圖如圖2 所示。

圖2 煤柱彈塑變形區(qū)示意圖

結(jié)合以上情況，在本次研究中，基于公式（1）對(duì)煤柱尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。

式中：p1表示支架對(duì)煤幫產(chǎn)生的阻力；K 表示頂板應(yīng)力集中系數(shù)；m 表示煤層平均厚度；φ0和c0分別表示巖層和煤層接觸面的黏聚力與內(nèi)摩擦角；f 表示煤層與頂板接觸面的摩擦因數(shù)；λ 表示側(cè)壓力系數(shù)，γ 表示上覆土重度。相關(guān)參數(shù)均可根據(jù)勘察資料獲得，代入相關(guān)數(shù)據(jù)后，求得該煤層的回采煤柱寬度確定為25 m。

2.2 回采巷道位置設(shè)計(jì)

根據(jù)該井田已有的勘察報(bào)告數(shù)據(jù)，確定兩個(gè)待開采煤層間的主要巖性包括粉砂質(zhì)泥巖和泥巖，其中粉砂質(zhì)泥巖為主導(dǎo)，巖體的單軸抗壓強(qiáng)度如表1 所示。

表1 層間巖體單軸抗壓強(qiáng)度

根據(jù)上表中的數(shù)據(jù)，以及巖性信息，最終確定普氏系數(shù)f 的值為3.56，估算巖體的平均強(qiáng)度約為34.6 MPa。同時(shí)，考慮到該工作面的巷道埋深均小于300 m，因此采取如下布置方案：將2#煤層巷道布置于距離底板邊緣15 m 處的位置，即在此處布置4#煤層順槽。

2.3 回撤巷道位置設(shè)計(jì)

結(jié)合以往的研究經(jīng)驗(yàn)可知，巷道布置的位置、巷道掘進(jìn)時(shí)機(jī)和支護(hù)強(qiáng)度是影響回撤巷道穩(wěn)定性的三個(gè)主要因素[3]，據(jù)此，研究人員通過(guò)以下幾個(gè)步驟對(duì)回撤巷道的位置進(jìn)行確定。

一是計(jì)算巷道位置，在計(jì)算過(guò)程中，取埋深為110.2 m，上覆土重度取24 kN/m，頂板應(yīng)力增高系數(shù)取35，支架對(duì)煤幫的支護(hù)阻力取200 KPa，而后基于上文中的公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為6.44 m，為避開應(yīng)力增高點(diǎn)，在該結(jié)果的基礎(chǔ)上，增加一定長(zhǎng)度，該增加值為煤層厚度2 倍，代入數(shù)據(jù)后求得L 值為14.37 m。根據(jù)此計(jì)算結(jié)果，結(jié)合底板巷道的實(shí)際情況，查表確定輔助回撤巷道與主回撤巷道之間采取對(duì)中30 m 布置的措施，步距為25 m。

二是確定回采巷道與主巷的連接。在該步驟中，工作人員在新工作面布置膠帶順槽，將回風(fēng)槽通過(guò)回撤端掘上山與回風(fēng)巷連接導(dǎo)通，利用已有回風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行搭接，以提升施工效率。

2.4 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)前期勘查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該煤礦回采工作面上方存在采空區(qū)，受到采空區(qū)影響，導(dǎo)致回采順槽巷道應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，傳統(tǒng)支護(hù)方式難以取得預(yù)期效果[4]。就此，技術(shù)人員決定采用錨-索-網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)模式，綜合考慮性能、成本等多方面因素，最終確定錨桿和錨索的設(shè)計(jì)參數(shù)如表2 所示。

表2 錨桿錨索設(shè)計(jì)參數(shù)匯總表 單位：mm

確定以上參數(shù)后，基于以下幾個(gè)步驟進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)：巷道頂板設(shè)置6 根頂錨桿，頂角錨桿與垂直方向呈10°夾角；頂板設(shè)置三根錨索，每根錨索配備3 卷樹脂藥卷，并控制錨索預(yù)緊力在100 kN 以上；巷道幫部設(shè)置4 根錨桿，并控制頂角錨桿與水平方向呈10°夾角。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

為探究本次巷道布置方式的可行性和有效性，測(cè)試人員針對(duì)擬采煤工作面布置監(jiān)多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)[5]，收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并應(yīng)用FLAC3D 進(jìn)行分析，首先對(duì)應(yīng)力變化情況進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖3 所示。

圖3 巷道優(yōu)化布置后的應(yīng)力云圖

從圖3 中可見(jiàn)，巷道優(yōu)化布置后，巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)未出現(xiàn)明顯異常，其中右?guī)妥畲髴?yīng)力值為29.8 MPa，在巷道頂部和四周邊角處應(yīng)力較為集中，最大值為16 MPa，整體處于較低水平。

在應(yīng)力分析后，測(cè)試人員選擇時(shí)間跨度為60 d，對(duì)優(yōu)化前后巷道圍巖表面變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，整理結(jié)果如表3 所示。

表3 巷道表面位移量對(duì)比分析

根據(jù)上表的數(shù)據(jù)分析可知，在采取本次設(shè)計(jì)的巷道合理布置措施后，巷道圍巖變形情況得到有效抑制，證明本次設(shè)計(jì)的巷道合理布置方案基本能夠滿足實(shí)際的生產(chǎn)安全需要。

4 結(jié)語(yǔ)

整體來(lái)看，在本次研究工作中，針對(duì)煤礦下煤層回采過(guò)程中巷道的安全風(fēng)險(xiǎn)因素，基于理論和實(shí)踐相結(jié)合的研究方法，對(duì)巷道布置方式進(jìn)行了優(yōu)化，確定了巷道優(yōu)化布置工作中的主要指標(biāo)參數(shù)，以此形成較為完善的巷道合理布置方案。在方案初步擬定后，對(duì)該方案的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，本次方案取得了一定的優(yōu)勢(shì)，有望在后續(xù)工作中進(jìn)一步推廣應(yīng)用。