近距离下位煤层回采巷道合理布置

熊祥林，陈朋磊

(1.平煤股份四矿，河南 平顶山 467000；

2.河南省煤炭科学研究院有限公司，河南 郑州 450001)

近距离煤层开采相关的研究成果主要集中在较大的煤层间距，围岩控制理论与技术研究体现在单一煤层开采方面[1-4]，对近距离煤层的研究成果需要进一步加强。王晓辉[5]基于范各庄煤矿近距离煤层上行开采，利用类比法、概率积分法及数值模拟等方法，研究了近距离煤层上行开采过程中矿压显现和覆岩运移规律，分析了各煤层间的相互影响。黄庆享[6]结合陕蒙神东煤田近距离煤层回采工作面地质条件，利用现场实测、物理模拟及理论分析的方法，研究了下位煤层工作面采场矿压规律，揭示了不同层间距时岩层结构形态及演化特征。张志立等[7]针对鄂尔多斯地区近距离煤层浅埋、薄基岩、厚表土的赋存特点及其开采时存在的岩层控制问题，采用UDEC模拟软件，并结合“关键层”理论及概况现场实测和应用过程中的数据，研究了浅埋煤层“关键层”结构的破断特征，分析了相邻煤层开采时采场围岩结构特征及其相互作用。董兴迎[8]实测了某煤矿采空区下近距离下位煤层回采期间矿压数据，采用理论分析研究了上位煤层回采后残留煤柱对下位煤层采场矿压显现规律的影响，并采用现场实测分析了下位煤层采场来压步距及工作面推进过程中液压支架的工作阻力。基于此本文采用理论分析、数值模拟的研究方法，分析己15煤层回采过程中采场支承压力与底板损伤特征，明确己16-17-31020工作面运输巷布置方式，得出该布置方式下巷道围岩应力应变特征。

某矿主采己煤段煤层中的己15、己16-17煤层。己15煤层位于己16-17煤层上方，层间距8～12 m。因己15煤层为解放层，故矿方一般先施工解放层，再对下伏的己17煤层进行回采，本文研究的己16-17-31020运输巷位于己15-31040采空区下方，其具体的围岩地质构造特征如下。

(1)煤层赋存特征。井田内含煤地层为石炭系太原组、二叠系山西组、下石盒子组和上石盒子组。含煤地层厚556～1 090 m，平均796 m，含煤21～56层，其中包括可采和局部煤层。根据岩性分为8个煤段，可采煤层以己煤段为主要煤层，本文对己15和己16-17煤层进行研究。具体煤层地质条件如下：己15煤层位于山西组下部，上距砂锅窑砂岩39～81 m，层间距平均60 m。己15煤厚1.2～1.8 m，为稳定煤层。煤层无夹矸，呈鳞片状、块状、粒状，结构简单，从东向西逐渐变薄。己16-17煤层位于山西组下部，上距砂锅窑砂岩46～99 m，层间距65～75 m，平均70 m，距己15煤层8～12 m。己16-17煤层厚2.2～5 m，平均厚3.6 m，为简单煤层，己16-17煤有1层厚度0.4～0.7 m的夹矸，煤层易碎为粉末，多呈块状、粒状、鳞片状。

(2)顶底板特征。己15煤层底板即为己16-17煤层顶板，己15煤层伴有粉砂质泥岩伪顶，直接顶厚5～10 m，为泥岩或细砂岩；
基本顶厚度10～20 m，为粉砂岩及中粒砂岩。己16-17煤层底板为厚度4.8～10 m的泥岩，较坚硬。有厚度0.4～0.8 m的伪顶(泥岩)，直接顶为粉砂质泥岩，平均厚5.45 m。己16-17煤层顶底板岩层岩性特征见表1。

表1 己16-17煤层顶底板岩层岩性特征Tab.1 Lithologic characteristics of roof and floor slate of Ⅵ16-17 coal seams

(3)巷道地质构造特征。根据地测科提供地质资料显示，该回采巷地质构造简单；
预计施工中将揭露5条落差1.0～3.5 m的正断层，对掘进有不同程度的影响，掘进过程中还可能揭露隐伏构造。

2.1 工作面支承应力分布规律

受上位煤层采动影响，上覆工作面周围煤岩体应力重新分布，随着采煤工作面的推进，采空区顶板岩层垮落，上覆岩层载荷分布于采场周围煤体上，四周煤壁应力增加，于工作面前方增加的应力为超前支承压力，此压力随工作面推进不断前移，侧向支承压力以及采空区后方支承压力随工作面推进一段时间后基本不变。采场周围应力重新分布示意如图1所示。

图1 采场周围应力重新分布Fig.1 Distribution of the stress around the mining pit

2.2 支承应力在底板中的分布特征

研究工作面支承压力在底板岩层内的传递特征，对了解受上位煤层采动影响的下位煤层应力分布及影响范围有指导意义，煤柱受到的总载荷的理论计算公式为：

P=[(B+L)×H-(L-htanδ)×h]γ

(1)

式中,P为煤柱所受总载荷；
H为采深；
L为采空区宽度；
h为顶板垮落高度；
B为煤柱宽度；
δ为顶板岩层的垮落角；
γ为上覆岩层的平均容重。

则遗留煤柱受到的均布载荷为：

q=[(B+L)×H-(L-htanδ)×h]γ/B

(2)

将煤岩体近似为各向同性的均匀半无限平面，建立模型来计算煤柱所受到的力，可分析采空区煤柱下任意位置岩体的应力，如图2所示。

图2 煤柱受力的计算模型Fig.2 Calculation of the force on the pillar

底板任意点(θ,r)的应力分量为：

(3)

用直角坐标表示为：

(4)

由(4)积分，得出底板任意点应力公式为：

(5)

根据某矿的工程概况，该矿上位煤层采空区的煤柱留设7 m。为了研究上层煤回采结束后，底板岩层受到煤柱影响的应力分布规律，将遗留煤柱宽度代入式(5)中，得出煤柱下底板应力分布特征：①上部煤层遗留的区段煤柱下底板岩层不同深度截面的垂直应力的峰值均出现在煤柱下方的中心线处。垂直应力在煤柱中心线下方最大，其中煤柱下5 m时，相应的垂直应力为66.4 MPa，应力集中系数为2.62，应力与煤柱中心线距离呈负相关的关系；
在煤柱下方，垂直应力与底板深度也呈负相关的关系，煤柱下15 m时，最大垂直应力减小至51.6 MPa，应力集中系数为2.16，相比于5 m时，降低了14.8 MPa；
而采空区下，垂直应力与底板深度呈正相关的关系。②煤柱下底板水平应力与底板深度呈负相关的关系，当煤柱下5 m时，煤柱中心线下方水平应力值最大，为73.4 MPa，应力集中系数为3.08；
在煤柱下方，水平应力与底板深度呈负相关的关系。煤柱下15 m时，煤柱中心线下方水平应力为22.9 MPa，应力集中系数为0.96，接近原岩应力；
采空区下，水平应力与底板深度呈正相关的关系。③上部煤层遗留的区段煤柱的切应力在煤柱中心线处的切应力值接近0，并且切应力值在煤柱范围内变化幅度较大；
随着底板岩层的深度增大切应力值不断减小。煤柱下5 m的切应力峰值为6.1 MPa；
煤柱下15 m时，切应力峰值为5.2 MPa，相比于5 m时，降低了0.9 MPa，变化幅度较小，同一水平截面煤柱切应力值在煤柱宽度范围内，随着与煤柱中心线的距离增加而增大，在煤柱宽度范围外随距离的增加而逐渐缓和。

两侧工作面开采后，区段煤柱作为主要承载体，其内部支承压力会产生应力集中，支承压力通过煤柱底板传递至采空区，围岩破坏后形成连续的滑移面。基于滑移线场理论，构建己15煤层采空区下底板的损伤模型，如图3所示。

图3 底板破坏深度力学模型Fig.3 Mechanical model of the depth of destruction of the bottom

基于己15煤层底板破坏的程度，可划分为3个区域：Ⅰ为主动应力区，Ⅱ为过渡应力区，Ⅲ为被动应力区。主动区底板达到其最大承载极限后，由于垂直方向上的受力产生水平膨胀，过渡区、被动极限区煤岩体会产生采空区方向的膨胀。己15煤层留设煤柱宽7 m，将矿井相关地质参数以及煤岩体物理力学测试结果代入相关计算式，可得出，采空区底板岩层最大屈服破坏深度为12.24 m，上位煤层开采对采空区下岩层的水平破坏范围，即被动应力区域边界长度为10.6 m。

4.1 数值模型的建立

根据研究区域及己16-17-31020工作面地质条件，同时为综合反映出己16-17煤层和己15煤层各工作面间的相对空间位置关系，建立模型尺寸为696 m×480 m×152 m，为了消除边界效应，模型四周留设40 m边界煤柱，模型共有单元数862 848个，节点数897 347个。为提高模型计算结果的准确性，将煤层网格尺寸设为1 m，其余网格疏密程度依距煤层距离而定。模型四周及地面设为固定边界，己16-17-31020工作面埋深为较大，模型未能建立至地表，需在上边界施加21.6 MPa的上覆岩层应力，根据该矿地应力测定数据，最大主应力为垂直应力的1.12倍，故侧压系数为1.12。实际生产中影响开采条件的因素较多，为了便于建立合理的数值模型，选取与现场条件相符合的参数，因此分别对己16-17煤层和己15煤层的顶底板煤样、岩样进行了岩石力学特性参数测试，并根据其结果对模型的煤(岩)体进行物理力学参数赋值，模型的岩性参数见表2。

表2 模型围岩物理力学参数Tab.2 Physical and mechanical parameters of model surrounding rock

4.2 数值计算结果分析

根据工作面实际回采情况，分别对己15-31040工作面、己15-31020工作面以及己15-23160工作面进行分步开挖，研究上覆工作面开采对底板岩层应力分布的影响，同时明确己15煤层相邻工作面开采后，支承应力叠加以及煤柱应力在底板岩层中的分布规律，为下位煤层工作面布置提供依据。

(1)己15-31040工作面底板应力分布规律如图4所示。

图4 己15-31040工作面应力倾向分布特征Fig.4 Distribution characteristics of stress tendency in Ⅵ15-31040 working face

由图4可知，己15-31040工作面回采过后，煤层底板侧向支承应力沿煤壁侧影响范围约为60 m，底板垂直应力峰值位置距采空区边缘5 m，应力集中系数为2.65；
采空区底板应力分布从左至右呈现“两端较大，中部平缓”的“W”形分布特征，此时，距工作面右侧采空区边缘65 m范围外底部岩层处于原岩应力区，应力大小接近原岩应力；
沿区段煤柱轴向，受下区段工作面采动影响，其中部垂直应力较大，应力峰值达到58.72 MPa，沿采空区中部轴向，在顶板垮落压实作用下，采空区底板产生应力集中现象，最大应力达到32.26 MPa。

(2)己15-31020工作面底板应力分布规律。己15-31020工作面底板应力分布规律如图5所示。由图5可得，己15-31020工作面回采过程中，其超前支承应力影响范围为30 m，超前应力峰值为46.17 MPa，由本工作面超前支承应力与040采空区侧向支承应力叠加形成的应力集中区域位于工作面煤柱端前方，其应力峰值可达到57.36 MPa，应力集中系数为2.4；
受本工作面采动影响，区段煤柱内部应力升高，且沿煤柱轴向应力峰值范围随推进长度的增大而增大，应力峰值为39.96 MPa左右。

图5 己15-31020工作面底板应力分布规律Fig.5 Stress distribution of 100m dip section in Ⅵ15-31020 working face

(3)己15-23160工作面底板应力分布规律。不同工作面回采过程中倾向剖面垂直应力演化特征如图6所示。

图6 不同工作面回采过程中倾向剖面垂直应力演化特征Fig.6 Vertical stress evolution characteristics of dip section in mining process of different working faces

由图6可知，己15-23160工作面回采后，工作面底板应力呈现“中间大、两边小”的分布形态，相邻的己15-31020靠近煤柱一侧的部分采空区进一步压实，底板应力升高，区段煤柱在应力集中作用下损伤破坏，其应力峰值降低，由43.23 MPa减小至32.06 MPa，峰值应力集中系数为1.35；
此时，距煤柱边缘40 m范围内垂直应力接近原岩应力。综合考虑回采巷宽度等因素，己16-17-31020运输巷与己16-17煤层遗留煤柱间距离应不大于30 m。

5.1 近距离煤层巷道布置方式选择

根据近距离煤层开采下位煤层工作面与上位煤层遗留保护煤柱的相对位置关系，将下位煤层工作面布置方式分为内错式布置、外错式布置和重叠式布置。根据三水平己一采区实际生产情况，己15煤层留设7 m的区段煤柱，为保证矿井设计生产能力，确定己16-17-31020工作面采用外错式布置方式。为降低上覆遗留煤柱集中应力对己16-17-31020工作面回采巷道的影响，需采用理论分析，并结合上一节数值模拟对错距进行合理确定。

5.2 近距离下位煤层巷道合理布置位置

上位煤层开采后，上煤层底板在煤柱应力作用下出现应力集中现象，受上方煤层采动影响，采空区下方煤层处于处于卸压状态，采空区影响范围内的煤层处于应力降低区。为保证巷道围岩稳定，己16-17-31020工作面回采巷道应远离己15煤层遗留煤柱底板应力影响区域，己16-17与己15煤层回采巷道的最小水平错距可根据经验公式计算，为降低上覆煤层残留煤柱对本工作面回采的影响，己16-17-31020工作面运输巷采用外错布置时，应布置在水平距己15煤层残留煤柱24.88 m范围外。①前述内容分析得出己15-31020工作面遗留煤柱内侧30 m范围外上覆岩层垮落压实，对应底板出现应力集中现象；
②结合理论分析可得己15-31020工作面遗留煤柱底板被动应力区边界长度为10.6 m；
③同时还应综合考虑巷道高应力、围岩破碎的地质特征。结合前述研究结果，通过理论计算得出遗留煤柱底板最大破坏深度距煤柱边缘的水平距离为20 m，并采用数值计算对支承压力在底板中的时空演化规律进行分析，认为己16-17-31020工作面运输巷布置的合理位置距煤柱边缘应不超过30 m，同时还应尽量避开地质构造的影响。

根据数值模拟及理论分析结果，结合工程类比法，参考邻近煤矿同类巷道布置经验及本巷道地质条件，最终决定己16-17-31020运输巷布置方式为外错式；
己16-17-31020运输巷布置于己15-31040采空区下方，巷道距上覆遗留煤柱边缘水平距离为25 m。

6.1 己16-17-31020工作面运输巷应力分布特征

对数值模拟结果进行处理，得到外错25 m时，己16-17-31020工作面运输巷围岩垂直应力以及水平应力分布特征，如图7所示。

图7 巷道应力分布特征Fig.7 Stress distribution characteristics of roadway

对巷道顶底板垂直应力和两帮水平应力的监测数据进行处理，得到下位煤层巷道围岩不同位置处应力的分布特征。绘制应力分布曲线，如图8所示。随着距巷道顶底板距离的增大，顶板测点垂直应力不断增大，且增加速度较快，底板垂直应力随深度的增大增加速度缓慢。在巷道表面，顶板垂直应力为11.67 MPa，底板垂直应力为10.98 MPa；
在巷道围岩周围8 m范围内，顶板垂直应力变化幅度较大，增加了15.68 MPa。外错25 m时，巷道两帮水平应力变化趋势基本一致，整体变化幅度较小。受己15煤层残留煤柱影响，巷道右帮水平应力整体大于左帮水平应力。在巷道表面时，左帮水平应力为14.13 MPa，右帮水平应力为20.68 MPa；
在8 m围岩范围内，右帮水平应力随深度的增加而增大，在8 m深处应力值为26.31 MPa。

图8 巷道应力分布曲线Fig.8 Stress distribution characteristics of roadway

6.2 己16-17-31020工作面运输巷位移分布特征

外错25 m时，己16-17-31020工作面运输巷垂直位移及水平位移分布如图9所示。

图9 巷道位移分布特征Fig.9 Distribution characteristics of roadway displacement

将巷道围岩变形数据导出处理后得到下位煤层巷道围岩变形与巷道围岩深度之间的变化曲线，如图10所示。

图10 围岩变形量分布曲线Fig.10 Distribution characteristics of surrounding rock deformation

受己15-31040工作面采动影响，巷道顶板及右帮变形较大，底板及左帮变化相对较小。外错25 m时，随测点深度的增大，顶板下沉量和底鼓量变化幅度较大，顶板下沉量由170 mm变为37 mm，底鼓量由102 mm变为28 mm；
左帮和右帮移近量对深度变化幅度较小，整体趋于平稳，右帮移近量为139～166 mm，左帮移近量为108～123 mm；
随着外错距离的增大两帮移近量变化幅度逐渐减小。

综上所述，外错距离为25 m左右时，受上部煤层采空区及遗留煤柱影响较小，之后在增大外错距离一方面会导致工作面过长，另一方面对改善工作面矿压效果有限，因此最终决定工作面采用外错25 m布置。

(1)采用理论计算的方法对上位煤层采场支承压力、底板采动损伤程度、下位煤层巷道位置布置进行了分析，计算得到己15煤层回采后底板被动应力区域边界长度为10.6 m，揭示了己15-31040工作面、己15-31020工作面、己15-23160工作面依次开采时煤柱下方底板应力峰值由63.38 MPa减小至54.63 MPa、然后无明显变化的特征。

(2)结合底板被动应力区域边界长度、煤层与顶底板摩擦系数、煤柱压力影响角、煤炭资源采出率、安全掘进等因素，取计算结果的最大值，即巷道采用外错上位煤柱25 m的布置方式，研究了该布置方式下巷道围岩的应力、位移分布特征，揭示了该布置方式下巷道处于低应力环境的特性，且可为巷道围岩控制提供一定的参考依据。