趙 亮

(晉中市煤炭工業(yè)局，山西 晉中 030600)

我國煤炭資源儲量豐富，煤層賦存地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜多變，許多煤礦在近距離煤層群開采時(shí)面臨聯(lián)合布置開采問題[1-3]，其中針對上薄下厚的煤層賦存情況，很多煤礦在開采方式上選擇了“分層同采”的聯(lián)合開采方式。但由于煤層之間間距較小，在聯(lián)合開采布置工作面過程中，回采引起的本煤層及下組煤層間復(fù)雜應(yīng)力場、位移場的變化將導(dǎo)致一系列工程問題，如巷道變形、失穩(wěn)、冒頂、支架折損等問題[4-8]，因此回采巷道的穩(wěn)定性備受重視。尤其是布置在下組煤層中的回采巷道的穩(wěn)定性，由于受多次采動(dòng)動(dòng)壓影響，巷道變形嚴(yán)重，且巷道維護(hù)十分困難。因此，優(yōu)化合理布置巷道顯得尤為重要，合理的巷道聯(lián)合布置方式，不僅關(guān)系到保障煤礦安全生產(chǎn)，而且對于減少巷道維護(hù)成本，實(shí)施高效生產(chǎn)也具有顯著的意義。

本研究以近距離煤層同采的巷道布置進(jìn)行研究，以河?xùn)|煤田某礦11#與12#為工程地質(zhì)背景，分析同采巷道條件下組煤外錯(cuò)布置的合理時(shí)空關(guān)系及巷道的圍巖變形規(guī)律，為近距離煤層同采巷道的合理布置提供理論依據(jù)。

1 地質(zhì)概況及煤層圍巖物理力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)

1.1 地質(zhì)概況

本井田地處河?xùn)|煤田的北部，為向西傾斜單斜構(gòu)造，地層傾角5°～14°，地層結(jié)構(gòu)簡單。現(xiàn)準(zhǔn)備開采11#及12#煤層，其中，11#煤層位于太原組二段中部，煤層厚度平均1.57 m，結(jié)構(gòu)簡單，頂板巖性主要為泥巖其次為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖；底板巖性主要為砂質(zhì)泥巖、泥巖，局部為中粒砂巖，為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。12#煤層位于太原組二段中部，上距11#煤層平均3.89 m，煤層厚度平均3.61 m，結(jié)構(gòu)簡單，其頂板巖性主要為砂質(zhì)泥巖、泥巖和粉砂巖；底板巖性主要為砂質(zhì)泥巖、泥巖和粉砂巖，為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，具體如表1所示。

1.2 煤層圍巖物理力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)

煤巖樣主要取行人斜井，包括11#煤頂板泥巖、11#煤、11#煤底板砂質(zhì)泥巖、12#煤、12#煤底板砂質(zhì)泥巖，每層取樣3件，共15件，每件樣品尺寸大約300 mm×300 mm。將煤巖樣品加工為50 mm×100 mm或25 mm×50 mm標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件，見圖1。

圖1 煤及砂質(zhì)泥巖圓柱形試件Fig.1 Cylindrical test pieces of coal and sandy mudstone

表1 煤層及圍巖試樣的力學(xué)性質(zhì)測試結(jié)果

2 近距離煤層巷道布置數(shù)值模擬對比

近距離煤層群在開采過程中，工作面回采會引起回采空間周圍巖層應(yīng)力重新分布，受載條件復(fù)雜，不但在區(qū)段煤柱上易造成應(yīng)力集中，而且該應(yīng)力將向底板巖層深部傳遞，造成布置在底板巖層中或近距離煤層中的巷道整體力學(xué)力能變差，變形急劇增大，受上組煤層開采動(dòng)壓的影響，下組煤層回采巷道煤柱不易形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。因此，上下煤層工作面的位置關(guān)系與回采巷道的布置是一個(gè)難題，如果巷道布置不合理，巷道位于高應(yīng)力區(qū)，底板巷道的維護(hù)將會發(fā)生很大困難。

針對我國煤炭資源不斷減少、日益枯竭的問題，提高煤炭的資源回收率顯得更加重要與迫切。因此，在合適的條件下要盡量避免采用內(nèi)錯(cuò)布置，減少資源損失。本研究采用的外錯(cuò)方式(見圖2)布置近距離煤層下組煤層回采巷道，由于巷道圍巖所處位置一般為高應(yīng)力區(qū)，使得圍巖及圍巖賦存環(huán)境遠(yuǎn)惡劣于內(nèi)錯(cuò)方式布置的回采巷道。一方面圍巖破碎，另一方面地壓大、變形量大，巷道圍巖的穩(wěn)定條件比較差。因此，在布置近距離煤層回采巷道時(shí)，要適當(dāng)加寬上組煤層的回采護(hù)巷煤柱。

圖2 12#煤層工作面外錯(cuò)布置圖Fig.2 External staggered layout of No.12 coal seam

由于外錯(cuò)布置的下煤層工作面回采巷道位于上分層開采遺留煤柱的下方。因此，上煤層煤柱的存在狀態(tài)以及對上覆巖層重量的傳遞情況直接影響下煤層外錯(cuò)巷道圍巖的質(zhì)量和受力情況，進(jìn)而影響下煤層外錯(cuò)巷道穩(wěn)定性控制方案的選擇與設(shè)計(jì)。圖3是煤柱中垂直應(yīng)力分布的示意圖。煤柱自外向內(nèi)存在三個(gè)區(qū)域，即破裂區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)，且煤柱從外側(cè)向內(nèi)部由單向受壓逐漸變?yōu)槿蚴軌籂顟B(tài)，其承載能力隨著距煤柱邊緣的距離增大而明顯增強(qiáng)。

1-破裂區(qū)；2-塑性區(qū)；3-彈性區(qū)圖3 上層煤兩側(cè)采空后煤柱中的垂直應(yīng)力分布及分區(qū)示意圖Fig.3 Diagram of vertical stress distribution and partition of coal pillars after mining out of the upper coal on both sides

12#煤工作面順槽按寬度5.0 m、高度3.0 m考慮，將12#煤工作面順槽布置在11#煤煤柱下方，一方面增加了工作面長度，另一方面減少了順槽上方11#煤底板垮落的幾率，有利于巷道支護(hù)；11#煤工作面煤柱下方需要布置12#煤工作面的一條運(yùn)輸順槽和一條相鄰工作面的回風(fēng)順槽，根據(jù)對12#煤合理區(qū)段煤柱的分析，12#煤合理區(qū)段煤柱不應(yīng)小于12 m，則11#煤煤柱寬度=12#煤煤柱寬度+運(yùn)輸順槽寬度+運(yùn)輸順槽外錯(cuò)錯(cuò)距+回風(fēng)順槽寬度+回風(fēng)順槽錯(cuò)距。

綜上分析后，擬定數(shù)值研究對比方案，將上組11#煤護(hù)巷煤柱確定為40 m，為了分析合理的12#煤回采巷道布置方式，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件研究11#煤回采動(dòng)壓影響下的12#煤回采巷道穩(wěn)定性問題。根據(jù)煤層賦存條件，建立數(shù)值模型，模擬12煤工作面兩巷外錯(cuò)布置方案，采用的方案如下：外錯(cuò)4 m、6 m、8 m、10 m共4個(gè)方案。11#煤柱下方的巷道應(yīng)力分布和破壞區(qū)域分析結(jié)果見圖4和圖5。

圖4 外錯(cuò)式布置巷道及煤柱應(yīng)力分布狀態(tài)圖Fig.4 Stress distribution of roadways and coal pillars with external staggered layout

圖5 外錯(cuò)式布置巷道及煤柱塑性區(qū)分布圖Fig.5 Plastic zone distribution of roadways and coal pillars with external staggered layout

由圖4、圖5可見，隨著錯(cuò)距的增加，12#煤巷道與11#煤采空區(qū)距離增加，12#煤巷道與煤柱中心線的距離減小，巷道圍巖所受集中應(yīng)力增加，巷道圍巖破壞程度下降。從應(yīng)力分布看，錯(cuò)距在5 m～6 m時(shí)，開始出現(xiàn)一定程度的應(yīng)力集中，從塑性破壞區(qū)域看，錯(cuò)距在6 m～12 m時(shí)，巷道圍巖脫離11#煤工作面采動(dòng)影響范圍，考慮12#煤工作面順槽應(yīng)布置在圍巖完整段，因此，12#煤巷道外錯(cuò)距離應(yīng)不小于6 m。

3 結(jié)束語

綜合分析，11#、12#煤極近距離煤層聯(lián)合開采條件下，12#煤巷道合理外錯(cuò)距離為6 m，當(dāng)12#煤工作面回風(fēng)、運(yùn)輸順槽寬度為5 m、12#煤煤柱寬度為12 m的情況下，11#煤煤柱寬度應(yīng)不小于34 m。