近距离煤层遗留煤柱影响下巷道合理布置方法

武华杰

(太原东山煤电集团 生产(建设)技术处，山西 太原 030000)

近年来，随着煤炭产能的不断提高，对资源的合理利用与开采安全性提出了更高的要求[1-3]。特别是近距离煤层开采，由于下煤层巷道布置的不合理，导致上煤层遗留煤柱形成的支撑压力对下煤层工作面巷道的稳定性造成了不利影响，为矿山安全开采带来困难[4-6]，这就需要对近距离煤层遗留煤柱影响下巷道合理布置方法进行研究。

在这方面的研究中，耿春喜采用理论分析、数值模拟以及现场实测的方法对山西某矿近距离煤层8号、9号煤层回采巷道位置选择进行了研究，确定两煤层回采巷道合理错距为9 m[7]；王恩博通过分析上煤层遗留煤柱在煤层底板中的应力传播规律，计算出巷道与煤柱的内错距离应该大于12.8 m[8]；李国栋等采用理论计算和UDEC数值模拟相结合的方法,研究了3106工作面回采巷道合理布置及围岩控制方法，指出回采巷道布置在距残留煤柱边缘15 m处，给出了高强度锚杆(索)关键部位协同支护方案[9]。

本文以某矿近距离煤层开采为研究背景，分析了上煤层遗留煤柱下底板应力分布特征，在此基础上通过数值模拟分析，研究了下煤层工作面合理巷道布置方法，以实现该矿近距离煤层安全高效开采。

1 工作面概况

东山煤电某煤矿2603综采工作面位于东二采区6号煤层，煤层产状较平缓，倾角为1～7°，工作面走向长度1 300 m，倾斜长度180 m，工作面间留有30 m宽保护煤柱，2603工作面煤岩综合柱状图如图1所示。

图1 煤岩综合柱状图

6号煤层下方为5号煤层，其中2503工作面西侧为2501工作面，东侧为2505工作面，上部为2603工作面采空区，该工作面还未进行开采，工作面间留有15 m宽保护煤柱。2503工作面与2505工作面回采巷道属于典型的近距离煤层群复杂应力下的回采巷道。两煤层工作面空间位置关系见图2。

图2 各工作面空间位置关系图

对于近距离煤层的开采，受回采巷道、工作面及煤柱空间分布的影响，往往导致矿压显现复杂、巷道维护困难、采掘接替紧张以及煤炭资源损失严重等问题。究其根本原因在于开采扰动影响下，煤层之间产生的复杂应力场和位移场对巷道稳定性的影响，特别是当巷道布置与各煤层开采的时空关系不合理时尤其严重，为此需要研究近距离煤层开采巷道合理布置方法，以保证矿山安全高效开采。

2 底板岩层应力分布特征

近距离煤层回采巷道所受应力与单一煤层开采不同，主要体现在三个方面：其一，受本工作面巷道掘进与工作面回采影响；其二，受其上部工作面回采影响；其三，受上煤层遗留煤柱产生的支撑应力影响，不同作用阶段导致回采巷道呈现多应力变化特征。该矿5号煤层2503与2505工作面巷道位于上煤层开采及遗留煤柱影响范围内，在采动压力作用下，应力多次重新分布，导致巷道围岩稳定性显著下降。因此，上煤层工作面回采对下工作面巷道稳定性具有重要的影响。

由于5号煤层2503与2505工作面巷道位于6号煤层2603与2605工作面下方，5号煤层两工作面间留有30 m宽的煤柱，形成两侧采空区条件，上煤层回采不仅会对近区域内煤体(柱)形成应力集中，还会将一部分应力传导至其下部一定范围的顶板岩层中，应力分布情况见图3。可以看出，对于两侧采空条件，作用在煤柱上的支承压力表现为“凸”形发展特征，位于煤柱正下方的底板岩层所受垂直应力最大，随着煤柱距底板岩层距离的增加，煤柱作用于应力传播影响范围也逐渐扩大，应力影响程度逐渐减小。

图3 遗留煤柱底板岩层应力分布情况示意

该矿上部6号煤层回采完成后，所遗留的煤柱将对底板一定区域施加垂直应力作用，由图2可以看出，6号煤层2603与2605工作面间的遗留煤柱正好位于5号煤层2503工作面巷道正上方。根据应力状态分析结果，该巷道正处于上煤层煤柱应力集中作用区；同时，2505工作面机巷也位于底板岩层应力影响区域内，两巷道中间仅留设15 m宽煤柱，巷道的稳定性必然遭受影响，为此需要分析巷道合理的布置方法，以避开上煤柱支撑压力影响区。

3 数值模拟分析

3.1 数值建模方案

为了分析近距离煤层开采下煤层巷道合理布置方法，本文采用数值模拟手段进行研究，根据煤岩层综合柱状图，进行模型几何参数设定，采用摩尔-库仑模型。对于模型边界条件的约束，左右边界约束水平位移，下部边界约束垂直位移。煤岩体物理力学参数见表1。

表1 煤岩体物理力学参数

通过构建数值分析模型，研究5号煤层2503工作面回采巷道与上部6号煤层遗留煤柱中心的空间位置关系变化条件下，不同错距下巷道围岩塑性区、应力及位移变化情况，以此确定合理的巷道位置，下煤层巷道距遗留煤柱中心线水平距离分别为0 m、12 m与24 m，模拟方案见表2。

表2 模拟方案

3.2 数值结果分析

方案1模拟结果见图4。位移矢量图中箭头代表节点位移的方向和大小；应力分布图中的数值代表等值线上的应力值，MPa。工作面巷道开挖后，受遗留煤柱支撑应力的影响，巷道顶底板及两帮均出现了明显的位移变化，位移矢量发展均指向巷道中心位置，巷道周围产生了明显的塑性区，塑性区以巷道为中心呈现“X”形扩展，巷道左右帮及顶底板位移量分别为110 mm、115 mm、124 mm与26 mm。由于巷道破坏卸荷作用，近巷道垂直应力较小，约为2 MPa，并且由巷道边壁向深处逐渐增加，最高可达10 MPa；巷道两帮及顶板所受水平应力较小，约为2 MPa，由巷道边壁向深处逐渐增加，最高可达7 MPa，说明此时巷道处于煤柱高应力作用影响区。

图4 方案1模拟结果

方案2模拟结果见图5。工作面巷道开挖后，巷道距离上方煤柱中心线水平距离为12 m，依然处在上部遗留煤柱压力影响范围内，巷道塑性区发展以顶板及右帮为主，位移矢量分布有所减少，巷道左右帮及顶底板位移量分别为40 mm、45 mm、53 mm与17 mm。巷道顶底板垂直应力较小，约为1 MPa，并且由巷道边壁向深处逐渐增加，最高可达5 MPa，并且以“凸”发展特征向上部扩展；巷道两帮所受水平应力较小，分别为1 MPa与2 MPa，底板所受应力较大，约为6 MPa，由巷道边壁向深处逐渐增加，最高可达6 MPa。说明此时巷道处于煤柱应力作用影响区范围内。

图5 方案2模拟结果

方案3模拟结果见图6。工作面巷道开挖后，巷道距离上方煤柱中心线水平距离为24 m，巷道塑性区发展同样以顶板及右帮为主，位移矢量分布进一步减少，巷道左右帮及顶底板位移量分别为12 mm、15 mm、18 mm与4 mm。巷道顶底板垂直应力较小，约为0.7 MPa，由巷道边壁向深处逐渐增加，最高可达4.5 MPa，顶板应力“凸”形发展特征更加明显；巷道两帮及顶板所受水平应力较小，约为0.6 MPa，底板所受应力较大，约为5.5 MPa，由巷道边壁向深处逐渐增加，最高可达6.5 MPa。由巷道变形发展可以看出，此时巷道处于上部遗留煤柱压力影响范围以外，巷道整体围岩状况很好。巷道比较稳定。

图6 方案3模拟结果

3种方案巷道表面变形对比情况见图7。可以看出，随着巷道与上部遗留煤柱水平距离的增加，巷道表面变形明显降低。由于方案1与方案2中，巷道处于上部煤柱支撑压力影响范围内，巷道变形整体较大；对于方案3，巷道位于上部煤柱支撑压力影响范围以外，巷道变形发展整体较小，最大位移仅为18 mm。结果表明，随着下煤层巷道距遗留煤柱中心线水平距离增大，巷道稳定性更好。

图7 各方案巷道变形量

4 结 语

1) 作用在煤柱上的支承压力表现为“凸”形发展特征，位于煤柱正下方的底板岩层所受垂直应力最大，随着煤柱距底板岩层距离的增加，煤柱作用于应力传播影响范围也逐渐扩大；由于2503工作面巷道处于上煤层煤柱应力集中作用区，巷道的稳定性必然遭受影响。

2) 通过数值模拟分析，随着巷道与上部遗留煤柱中心水平距离的增加，巷道表面变形显著降低，巷道所受垂直应力与水平应力也随之减小，随着下煤层巷道距遗留煤柱中心线水平距离增大，巷道稳定性更好。

3) 对近距离煤层开采遗留煤柱影响下巷道合理布置方法进行了研究，由于动压巷道所受应力复杂，后续将对巷道支护技术进行分析，以进一步提高巷道的稳定性。