极近距离煤层外错式布置合理煤柱布置研究

赵 亮

(晋中市煤炭工业局，山西 晋中 030600)

我国煤炭资源储量丰富，煤层赋存地质环境复杂多变，许多煤矿在近距离煤层群开采时面临联合布置开采问题[1-3]，其中针对上薄下厚的煤层赋存情况，很多煤矿在开采方式上选择了“分层同采”的联合开采方式。但由于煤层之间间距较小，在联合开采布置工作面过程中，回采引起的本煤层及下组煤层间复杂应力场、位移场的变化将导致一系列工程问题，如巷道变形、失稳、冒顶、支架折损等问题[4-8]，因此回采巷道的稳定性备受重视。尤其是布置在下组煤层中的回采巷道的稳定性，由于受多次采动动压影响，巷道变形严重，且巷道维护十分困难。因此，优化合理布置巷道显得尤为重要，合理的巷道联合布置方式，不仅关系到保障煤矿安全生产，而且对于减少巷道维护成本，实施高效生产也具有显著的意义。

本研究以近距离煤层同采的巷道布置进行研究，以河东煤田某矿11#与12#为工程地质背景，分析同采巷道条件下组煤外错布置的合理时空关系及巷道的围岩变形规律，为近距离煤层同采巷道的合理布置提供理论依据。

1 地质概况及煤层围岩物理力学参数试验

1.1 地质概况

本井田地处河东煤田的北部，为向西倾斜单斜构造，地层倾角5°～14°，地层结构简单。现准备开采11#及12#煤层，其中，11#煤层位于太原组二段中部，煤层厚度平均1.57 m，结构简单，顶板岩性主要为泥岩其次为砂质泥岩、粉砂岩；底板岩性主要为砂质泥岩、泥岩，局部为中粒砂岩，为全区稳定可采煤层。12#煤层位于太原组二段中部，上距11#煤层平均3.89 m，煤层厚度平均3.61 m，结构简单，其顶板岩性主要为砂质泥岩、泥岩和粉砂岩；底板岩性主要为砂质泥岩、泥岩和粉砂岩，为全区稳定可采煤层，具体如表1所示。

1.2 煤层围岩物理力学参数试验

煤岩样主要取行人斜井，包括11#煤顶板泥岩、11#煤、11#煤底板砂质泥岩、12#煤、12#煤底板砂质泥岩，每层取样3件，共15件，每件样品尺寸大约300 mm×300 mm。将煤岩样品加工为50 mm×100 mm或25 mm×50 mm标准圆柱体试件，见图1。

图1 煤及砂质泥岩圆柱形试件Fig.1 Cylindrical test pieces of coal and sandy mudstone

表1 煤层及围岩试样的力学性质测试结果

2 近距离煤层巷道布置数值模拟对比

近距离煤层群在开采过程中，工作面回采会引起回采空间周围岩层应力重新分布，受载条件复杂，不但在区段煤柱上易造成应力集中，而且该应力将向底板岩层深部传递，造成布置在底板岩层中或近距离煤层中的巷道整体力学力能变差，变形急剧增大，受上组煤层开采动压的影响，下组煤层回采巷道煤柱不易形成稳定结构。因此，上下煤层工作面的位置关系与回采巷道的布置是一个难题，如果巷道布置不合理，巷道位于高应力区，底板巷道的维护将会发生很大困难。

针对我国煤炭资源不断减少、日益枯竭的问题，提高煤炭的资源回收率显得更加重要与迫切。因此，在合适的条件下要尽量避免采用内错布置，减少资源损失。本研究采用的外错方式(见图2)布置近距离煤层下组煤层回采巷道，由于巷道围岩所处位置一般为高应力区，使得围岩及围岩赋存环境远恶劣于内错方式布置的回采巷道。一方面围岩破碎，另一方面地压大、变形量大，巷道围岩的稳定条件比较差。因此，在布置近距离煤层回采巷道时，要适当加宽上组煤层的回采护巷煤柱。

图2 12#煤层工作面外错布置图Fig.2 External staggered layout of No.12 coal seam

由于外错布置的下煤层工作面回采巷道位于上分层开采遗留煤柱的下方。因此，上煤层煤柱的存在状态以及对上覆岩层重量的传递情况直接影响下煤层外错巷道围岩的质量和受力情况，进而影响下煤层外错巷道稳定性控制方案的选择与设计。图3是煤柱中垂直应力分布的示意图。煤柱自外向内存在三个区域，即破裂区、塑性区、弹性区，且煤柱从外侧向内部由单向受压逐渐变为三向受压状态，其承载能力随着距煤柱边缘的距离增大而明显增强。

1-破裂区；2-塑性区；3-弹性区图3 上层煤两侧采空后煤柱中的垂直应力分布及分区示意图Fig.3 Diagram of vertical stress distribution and partition of coal pillars after mining out of the upper coal on both sides

12#煤工作面顺槽按宽度5.0 m、高度3.0 m考虑，将12#煤工作面顺槽布置在11#煤煤柱下方，一方面增加了工作面长度，另一方面减少了顺槽上方11#煤底板垮落的几率，有利于巷道支护；11#煤工作面煤柱下方需要布置12#煤工作面的一条运输顺槽和一条相邻工作面的回风顺槽，根据对12#煤合理区段煤柱的分析，12#煤合理区段煤柱不应小于12 m，则11#煤煤柱宽度=12#煤煤柱宽度+运输顺槽宽度+运输顺槽外错错距+回风顺槽宽度+回风顺槽错距。

综上分析后，拟定数值研究对比方案，将上组11#煤护巷煤柱确定为40 m，为了分析合理的12#煤回采巷道布置方式，采用FLAC3D数值模拟软件研究11#煤回采动压影响下的12#煤回采巷道稳定性问题。根据煤层赋存条件，建立数值模型，模拟12煤工作面两巷外错布置方案，采用的方案如下：外错4 m、6 m、8 m、10 m共4个方案。11#煤柱下方的巷道应力分布和破坏区域分析结果见图4和图5。

图4 外错式布置巷道及煤柱应力分布状态图Fig.4 Stress distribution of roadways and coal pillars with external staggered layout

图5 外错式布置巷道及煤柱塑性区分布图Fig.5 Plastic zone distribution of roadways and coal pillars with external staggered layout

由图4、图5可见，随着错距的增加，12#煤巷道与11#煤采空区距离增加，12#煤巷道与煤柱中心线的距离减小，巷道围岩所受集中应力增加，巷道围岩破坏程度下降。从应力分布看，错距在5 m～6 m时，开始出现一定程度的应力集中，从塑性破坏区域看，错距在6 m～12 m时，巷道围岩脱离11#煤工作面采动影响范围，考虑12#煤工作面顺槽应布置在围岩完整段，因此，12#煤巷道外错距离应不小于6 m。

3 结束语

综合分析，11#、12#煤极近距离煤层联合开采条件下，12#煤巷道合理外错距离为6 m，当12#煤工作面回风、运输顺槽宽度为5 m、12#煤煤柱宽度为12 m的情况下，11#煤煤柱宽度应不小于34 m。