1、近距离煤层下煤层安全开采技术研究摘要：近距离煤层在开采过程中形成应力集中，并会向底板岩层传递，造成下部巷道围护困难。我国近距离煤层群赋存比重大，巷道维护状况差，护巷煤柱损失较大，煤炭采出率低，这已成为近距离煤层安全高效开采的一个难题。本文以木瓜矿近距离煤层组9煤和10煤为研究背景，运用矿山压力和岩层控制理论和力学理论分析了上覆煤层9煤开采后的应力分布情况，结合10煤的采矿地质条件，确定出10煤回采巷道采用联合布置方式，整体采用内错式布置并计算出相应的主要参数。其支护技术方案结合现行的锚杆支护理论，分别设计了10煤层不同厚度和层间距的巷道的支护参数。研究较好的解决了下部煤层回采巷道支护困难问题，
2、优化了煤柱留设尺寸，提高了煤炭的采出率。关键词：近距离煤层 应力分布 巷道支护 煤柱1 工程概况1.1工程背景我国近距离煤层群赋存比重大，而近距离煤层在开采过程中易自燃发火，巷道维护状况差，并且护巷煤柱损失也较大，围岩一般比较松软。近距离厚煤层群在开采过程中，引起回采空间周围岩层应力重新分布，不仅在回采空间周围的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厚煤层中的巷道变形急剧增大，因此上下层工作面的位置关系与回采巷道布置的问题是一个难题，如巷道布置不合理，巷道位于高应力区或松软的岩层中，底板巷道的维护将会发生很大困难，这已成为近距离煤层安全开采的一个显著
3、难题。木瓜煤矿位于山西省方山县大武镇境内，木瓜矿9煤与10煤层间距在西二盘区只有210m，层间距较小，上部9煤已采空，工作面倾斜长度平均为150m，各工作面之间留设20m宽的煤柱。下部10煤工作面倾斜长度预计布置在200m左右，但10煤的开采首先面临在采空区下或煤柱集中应力下掘进并维护回采巷道的难题。上述问题导致矿井接替紧张、回采工作面布置困难，制约着矿井的安全高效生产。1.2 研究意义近距离煤层巷道可布置在较稳定的岩层内，也可布置在煤层中，随着上部工作面的推进，引起上覆岩层强烈的运动与变形，煤层底板岩层也会发生一定的变形和破坏，同时在采场围岩中发生应力重新分布，形成采场周围的高应力和低应力区
4、，这种规律不仅在开采煤层内形成，而且按一定的规律向其上、下岩层中传递和扩散，以致衰减。在近距离煤层开采时，往往出现多种残留煤柱和停采线，有可能出现高应力区叠加或高、低应力区的影响在某一区域相互削弱的复杂现象。在上部煤层开采后，上部煤柱和采空区与邻近煤层之间产生的复杂应力场和位移场对围岩稳定性有很大的影响，特别是在下煤层开采过程中，受到二次采动的影响，如果巷道布置与各煤层开采的时空关系不合理，巷道的维护将成为一个难题。木瓜煤矿10煤的开采首先面临在采空区下或煤柱集中应力下掘进并维护回采巷道的难题，为改善巷道维护状况、防止煤层自燃发火、减小护巷煤柱损失、保证安全生产，本专题针对已开采9煤留设煤柱及
5、采空区情况，结合10煤的采矿地质条件，确定出10煤不同层间距条件下回采巷道合理布置及其支护技术方案。1.3 国内外研究概况近年来国内外学者对近距离煤层开采的围岩与煤柱应力分布规律、近距离煤层回采巷道布置以及巷道支护技术作了大量的研究分析工作，在矿山压力理论研究和工程实践中进行了卓有成效的工作，取得了许多成果，对近距离煤层采场围岩控制和巷道布置提供了可靠的理论依据。（1）根据砌体梁理论，工作面前方的煤体是采场上覆砌体梁的支撑点，砌体梁上方岩层的重量主要由前方煤层承担，在采空区后方冒落的矸石受压后，其应力仅恢复到原岩应力。随工作面的推进，砌体梁结构经历周而复始的稳定失稳再稳定的变化过程，但砌体梁结
6、构始终存在，造成工作面前方始终存在移动支承压力。而且有学者研究认为，支承压力峰值随着采深的增加而增大，且支承压力峰值的位置也随着采深的增加而逐渐远离煤壁。煤体内支承压力区的范围、煤体边缘至支承压力峰值的距离、支承压力区的峰值是支承压力研究的重要参数。（2）陈炎光、钱鸣高、邹喜正等认为近距离条件下上煤层开采后会对其底板产生破坏，其范围与开采范围及采空区周围支承压力分布有关，而且通过理论计算分析了其破坏特征、范围及深度。（3）张先尘、钱鸣高、石平五、蒋金泉等人认为，回采工作面推进后，在煤壁前方形成支承压力，可以分为应力降低区（减压区）、应力增高区（增压区）及原岩应力（稳定区）。（4）在“上覆岩层运
7、动为中心”的矿压理论下，宋振骐院士认为，对应于不同的开采深度和煤层强度条件，采场周围煤层上的支承压力分布可能有以下三种情况：单一弹性分布：其特点是压力高峰在煤壁边缘，随与煤壁距离的增加按负指数规律递减；出现塑性区的分布：该分布由塑性区及弹性区两个部分构成。其中远离煤壁侧的弹性区煤层压力分布是一个高峰在弹塑性交界处并向纵深（工作面前方）发展逐渐下降至原始应力值的曲线；相反，靠近煤壁侧的塑性区煤层压力分布是一个高峰在弹塑性交界处，并向煤壁方向发展逐渐下降的曲线。弹性区压力来源于岩层总体重量，塑性区压力主要由临近采场的运动岩层重量决定；出现内外应力场的分布：这种分布的主要特点是岩梁深入塑性区断裂，原
8、来完整的应力场以岩梁断裂线为界，明显的分为两部分：一部分是运动着的岩梁重量所决定的内应力场，另一部分是与上覆岩层总体的重力相联系的外应力场。（5）陆士良教授、陈炎光等人认为可将长壁回采工作面周围应力归结为下列情况：一侧采空的煤或煤柱，由于支承压力作用，一般出现松塌区、松弛区、塑性区、弹性区以及原岩应力区；两侧均已采空的煤柱，当煤柱宽度较大时和第一种情况相似，只是可能会没有原岩应力区出现；当两侧均已采空且宽度较小的煤柱，其应力趋于均匀分布，在煤柱中央可能没有弹性区，而是整个煤柱都发生塑性变形。（6）马念杰、侯朝炯教授认为当煤层开采后，在煤层层面方向会存在一个应力极限平衡区，其宽度与煤层的开采深度
9、（H）、界面力学性质（C0、）、煤层厚度（m）、支护阻力（Px）等因素有关，其理论计算公式为： （1-1）其中A、K、分别为侧压系数、应力集中系数、岩层平均容重。（7）蒋金泉教授根据采场底板围岩应力的大小和集中程度，将采场底板分成了六个区域：原岩应力区，应力集中区，剪切滑移区，卸压区，应力恢复区和微集中区。而且认为底板岩层受采动影响后，由于垂直应力的高度集中和卸压，在垂直方向产生压缩和膨胀，岩层处于微弯曲状态，并伴生出水平方向的压缩和膨胀，因而出现了水平应力升高区和卸压区。煤体下方浅部应力集中，深部卸压；采空区下方浅部甚至出现拉应力，深部又有较低的应力集中。（8）有学者认为工作面停采后，移动支
10、承压力转化为固定支承压力，并以发散和衰减的规律在底板岩层传播，引起底板巷道围岩应力升高，底板巷道在高应力的作用下，当围岩应力超过围岩强度时，围岩长期处于流变状态。当围岩有效载荷系数（KH/c）小于0.5时，围岩长期处于稳定状态；当围岩有效载荷系数大于0.5时，围岩流变速度与围岩有效载荷系数成正变关系，造成底板巷道长期处于底鼓、两帮移近，四周围岩向巷道中部移近。（9）史元伟认为在煤层群开采时，下层煤工作面应力分布相似于单一煤层，即超前支承压力区、侧部支承压力区和工作面后方低压区。但其中有两点不同： 在上层工作面停采线下方出现新的高应力区； 平行煤壁的超前应力分布不再是单一工作面的抛物线型而是两侧
11、近顺槽区高于工作面中部，这是上层工作面侧向支承压力向下层煤内侧向传递扩散所致。（10）有研究认为多煤层采区同采条件下，两煤层间距达到一定距离后，上部煤层开采对于下部煤层开采的影响较小，而下部煤层开采时，由于岩层移动角的影响，其采动会对上部煤层工作面或巷道稳定性产生影响。当煤层间距较近、上煤层工作面的老顶由坚硬岩层组成时，上部的回采在下部煤层中形成了两个应力集中区，即两个谷峰承压区，分别位于工作面前方4m28m和工作面采空区后方35m90m，而且工作面后方的应力集中系数要远大于工作面接近前的应力集中系数。在两个应力集中区之间是应力降低区，即通常所称的谷底。1.4 采矿地质条件木瓜井田位于吕梁太行
12、断块、吕梁山穹隆离石复式向斜北端，井田总体为一向北西北西西倾的单斜构造，地层倾角39，局部达到9以上，其内有宽缓起伏。井田无断层，无陷落柱，未见岩浆岩，地质构造简单。木瓜矿9煤与10煤层间距在西二盘区只有210m，层间距较小，上部9煤已采空，工作面倾斜长度平均为150m，各工作面之间留设20m宽的煤柱。下部10煤工作面倾斜长度预计布置在200m左右，10煤的开采首先面临在采空区下或煤柱集中应力下掘进并维护回采巷道的难题，以及工作面安全开采的难题。2 下煤层回采巷道布置分析2.1 上煤层采后底板应力分布规律煤层采动引起回采空间周围岩层应力重新分布，不仅在回采空间及周围煤柱上造成应力集中，而且该应
13、力将向底板岩层深部传递。如果巷道与工作面的空间位置不合理，会造成布置在底板岩层中的巷道变形急剧增大。研究底板岩层中的应力分布、破坏区和采动岩体的力学特性，对了解受上部煤层采动影响的底板岩层或邻近煤层巷道受力状况及矿压显现，进而合理布置工作面，选择合理的支护措施来控制围岩的变形具有指导意义。根据岩土力学原理（如图2-1所示），集中力P对地下M点产生影响垂直应力z计算见式2-1。 （2-1）式中 ： 图2-1 集中力作用在地表当作用在各向同性均质半无限平面体上的集中力为qdx时，如图2-2所示，在平面体内任一点（，r）引起的应力可以得到。 （2-2） （2-3） （2-4）用直角坐标系（x，z）表
14、示为： （2-5） （2-6） （2-7）运用叠加原理，可将以上结果推广到自由边界上受均布载荷的情况，如图2-8所示，即：（2-8） 式中： q 作用于底板岩体上的载荷。图2-2 半无限平面体受均布载荷根据上述公式，可以绘出均布载荷作用下，底板岩体中的应力分布图形。沿载荷中心点下部轴线上的垂直应力z最大，在不同深度上，z随深度的增加而减小，其主要影响范围为6.25l （l是载荷分布宽度）；水平应力x的影响深度较浅，约为1.5l；剪应力xy的影响约为2l，且最大值出现在载荷作用的边界处，所以，采场边缘下部的岩体容易产生剪切变形和破坏。根据弹性力学理论，求解平面问题主应力的公式为： （2-9）将式
15、（2-9）代入上式，且令=2-1，可以得到底板岩体最大、最小主应力： （2-10）最大剪应力可由下式求得： （2-11）当=/2时，剪应力达到极值， （2-12）上式说明，剪应力的极值发生在以分布载荷宽度l为直径的半圆线上。由此可知，底板中最大剪应力达到的最大深度为： （2-13）上述理论研究成果，为确定上部煤层采后的底板应力状况提供了理论基础。2.2 下煤层回采巷道布置方案优化对近距离煤层开采，工作面巷道布置分为内错布置、外错布置和重叠布置。内错式巷道布置方式即为下分层平巷在上分层工作面内侧而形成正梯形煤柱，工作面也随之缩短，使工作面回采率降低，但巷道是在减压区布置和掘进，易于施工和维护；外错式布置方式工作面长度大，回采率高，煤炭损失量小，但巷道是布置在高应力区域内，维护困难；重叠巷道布置方式即上下分层平巷垂直布置，工作面长度一定，方向易于
