近距離煤層回采巷道布置方式數(shù)值模擬研究

馮琦勇

(西山煤電股份有限公司 西曲礦，山西　古交　030200)

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近距離煤層回采巷道布置方式數(shù)值模擬研究

馮琦勇

(西山煤電股份有限公司 西曲礦，山西古交030200)

以西曲礦8#煤和9#煤近距離煤層地質(zhì)條件為工程背景，綜合采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，對(duì)布置于北二盤區(qū)下部9#煤中的29205綜采工作面回采巷道合理布置方式進(jìn)行了研究。通過分析不同布置方案條件下29205綜采工作面正巷所受垂直應(yīng)力大小以及圍巖塑性破壞范圍，得出了該礦8#煤和9#煤近距離煤層地質(zhì)條件下回采巷道的合理布置方式，數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)于該礦8#煤和9#煤近距離煤層開采具有指導(dǎo)作用。

近距離煤層；回采巷道；數(shù)值模擬；塑性破壞

近距離煤層，即井田開采范圍內(nèi)相鄰煤層之間的層間距比較近，在相鄰煤層開采時(shí)具有相當(dāng)大程度的影響。布置于下部煤層工作面的頂板巖層完整性將會(huì)受到布置于上部煤層工作面開采的影響，并且上部煤層留設(shè)的區(qū)段煤柱還會(huì)在下部煤層頂板巖層中形成集中應(yīng)力區(qū)域，而造成下部煤層工作面回采巷道支護(hù)困難等一系列工程技術(shù)難題[1-3].

西山煤電股份公司西曲礦北二采區(qū)29205工作面目前屬于典型的近距離煤層群開采的范疇。對(duì)于近距下部煤層來說，其巷道布置形式?jīng)Q定著工作面在整個(gè)回采期間巷道支護(hù)的難易程度。因此，分析研究近距離煤層群開采29205正巷不同巷道布置方式，煤柱以及圍巖應(yīng)力的分布狀態(tài)和規(guī)律，對(duì)于合理選擇8#煤層和9#煤層煤柱的尺寸，進(jìn)行有效的巷道支護(hù)技術(shù)具有重要的指導(dǎo)意義。

1　工程概況

1.1工作面概況

29205綜采工作面位于西曲礦北二盤區(qū)的中部，南部是已經(jīng)回采結(jié)束的29204綜采工作面，東北部為小窯破壞區(qū)，北部為29205綜采工作面，西部與北983運(yùn)輸大巷相鄰。29205綜采工作面地面位于崖窯上進(jìn)風(fēng)井東部，狼窩溝北部，地面大部分被黃土覆蓋，蓋山厚度165～224 m. 正巷全長(zhǎng)960 m，巷道斷面呈矩形，巷寬4.0 m，巷高2.4 m. 29205綜采工作面布置示意圖見圖1.

圖1　29205綜采工作面布置示意圖

1.2上部相鄰8#煤層采掘概況

西曲礦北二采區(qū)賦存的8#煤層和9#煤層之間的層間距離為7～11 m，平均7.4 m. 上部8#煤層平均厚度4.05 m，下部9#煤層平均厚度2.2 m. 29205綜采工作面主采9#煤層，位于上部8#煤28205綜采工作面的正下方， 28204和28205兩個(gè)綜采工作面之間留設(shè)25 m的保護(hù)煤柱。上部8#煤已經(jīng)全部采空，距今已有大約10年的時(shí)間，因此，8#煤層回采造成的采空區(qū)圍巖活動(dòng)基本恢復(fù)到平穩(wěn)狀態(tài)，28205綜采工作面回采所引起的礦山壓力活動(dòng)已處于穩(wěn)定狀態(tài)，其下部9#煤開采受8#煤回采的動(dòng)壓影響相對(duì)比較小。

1.3地質(zhì)條件概況

29205綜采工作面柱狀圖見圖2.

圖2　29205綜采工作面柱狀圖

29205綜采工作面正巷沿9#煤層頂板布置，9#煤層厚度在1.8～2.38 m，平均厚度為2.2 m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含矸1層，厚度在0.1 m左右。29205工作面煤層整體傾向西南，傾角2°～7°，平均3°.

2　近距離煤層回采巷道布置方式數(shù)值模擬

2.1數(shù)值模擬模型建立

以西曲礦實(shí)際地質(zhì)情況為基礎(chǔ)，通過數(shù)值模擬軟件，首先計(jì)算29205綜采工作面在上覆8#煤層工作面回采之后圍巖應(yīng)力變化狀態(tài)，其次模擬計(jì)算29205綜采工作面正巷在不同內(nèi)錯(cuò)距離條件下圍巖應(yīng)力變化以及分布特征，最后計(jì)算相鄰的29204綜采工作面回采之后對(duì)29205綜采工作面正巷的影響情況。

數(shù)值模擬模型取29205綜采正巷左下角點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，水平向右為X軸正方向，沿巷道方向垂直向內(nèi)為Y軸正方向，垂直向上為Z軸正方向，重力方向沿Z軸負(fù)方向。三維模型的邊界條件?。核闹懿捎勉q支，底部采用固支，上部為自由邊界。初始應(yīng)力按照地質(zhì)力學(xué)測(cè)試實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行施加。在計(jì)算中，模擬了28204綜采工作面和28205綜采工作面回采，29205綜采工作面正巷掘進(jìn)及29204綜采工作面回采對(duì)巷道圍巖應(yīng)力和變形的影響情況。

數(shù)值模擬模型見圖3.

圖3　數(shù)值模擬模型圖

2.2數(shù)值模擬方案

在29205綜采工作面正巷現(xiàn)有開采情況的基礎(chǔ)上，綜合分析，提出3種不同回采巷道布置方案進(jìn)行對(duì)比分析。方案具體如下：1) 方案1中29205綜采工作面正巷采用內(nèi)錯(cuò)布置，內(nèi)錯(cuò)距離為中對(duì)中留設(shè)10 m煤柱，實(shí)體煤柱為6 m. 2) 方案2中29205綜采工作面正巷采用內(nèi)錯(cuò)布置，內(nèi)錯(cuò)距離為中對(duì)中留設(shè)7 m 煤柱，實(shí)體煤柱為3 m. 3) 方案3中采用重疊布置，將29205綜采工作面正巷布置在28205綜采工作面正巷的正下方[4-5].

2.3數(shù)值模擬結(jié)果分析

29205正巷在掘進(jìn)后受到8#煤殘留煤柱影響下圍巖垂直應(yīng)力場(chǎng)分布情況見圖4，29205正巷掘進(jìn)后圍巖塑性破壞區(qū)分布情況見圖5.

圖4　29205正巷掘進(jìn)后圍巖垂直應(yīng)力場(chǎng)分布圖

圖5　29205正巷掘進(jìn)后圍巖塑性破壞區(qū)分布圖

對(duì)比圖4和圖5進(jìn)行分析可以得出：

1) 采用方案1時(shí)，29205正巷巷道全部處于上覆8#煤層采空區(qū)的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，巷道所受到垂直應(yīng)力很小，基本維持在2 MPa以內(nèi)，并且此時(shí)巷道圍巖塑性破壞區(qū)也很小，僅僅在頂板邊角和右?guī)陀芯植堪l(fā)生塑性破壞，其破壞程度較小。

2) 采用方案2時(shí)，29205正巷巷道也處于上覆8#煤層采空區(qū)下的應(yīng)力降低區(qū)，此時(shí)巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境也較好，垂直應(yīng)力在2～4 MPa，在方案1的基礎(chǔ)上有所增加，這是由于采用方案2煤柱尺寸有所減小造成的，但是相對(duì)來說，巷道圍巖的應(yīng)力環(huán)境也較利于巷道的穩(wěn)定和維護(hù)。并且此時(shí)巷道在頂板上方產(chǎn)生一定范圍的塑性破壞，破壞深度大約在頂板深度的0.5 m范圍內(nèi)，與方案1相比較有一定程度的增加。

3) 采用方案3時(shí)，29205正巷圍巖垂直應(yīng)力發(fā)生了很大的變化，在巷道頂板和兩幫的垂直應(yīng)力有了很大的增加，尤其是巷道的右?guī)停怪睉?yīng)力峰值最大達(dá)到了18 MPa，而采用方案1和方案2時(shí)的29205正巷圍巖垂直應(yīng)力僅為2～4 MPa，并且此時(shí)29205正巷巷道右?guī)痛怪睉?yīng)力的變化梯度也十分明顯，從最小的8 MPa變化到最大的18 MPa，此時(shí)巷道處于一種高度應(yīng)力及高應(yīng)力變化梯度的環(huán)境中，對(duì)巷道的變形和破壞非常不利。從29205正巷頂板到底板均有不同程度的破壞，同時(shí)巷道的兩幫也發(fā)生明顯塑性破壞，其中右?guī)图纯拷褐南飵推茐姆浅?yán)重，因此，在此種條件下采用重疊法布置，是非常不利的。

綜上所述，在上部8#煤層工作面回采之后，在8#煤層采空區(qū)的上方和下方均出現(xiàn)了垂直應(yīng)力降低區(qū)，同時(shí)在8#煤層保護(hù)煤柱出現(xiàn)了高的應(yīng)力升高區(qū)，因此，9#煤層工作面巷道布置應(yīng)該避開高的煤柱應(yīng)力影響區(qū)，因此，優(yōu)先選擇將巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，對(duì)巷道后期受力和維護(hù)十分有利。對(duì)比方案1與方案2，方案2雖然維護(hù)難度有一定程度的增加，但是可以多采出3 m煤柱，可以多回收煤炭資源8 617 t，因此，綜合對(duì)比分析采用方案2.

3　總　結(jié)

1) 通過FLAC3D數(shù)值模擬對(duì)西曲礦近距離煤層回采巷道布置形式進(jìn)行分析，總結(jié)得出，在上部8#煤層工作面回采之后，在8#煤層采空區(qū)的上方和下方均出現(xiàn)了垂直應(yīng)力降低區(qū)，同時(shí)在8#煤層保護(hù)煤柱出現(xiàn)了高的應(yīng)力升高區(qū)。因此，9#煤層工作面巷道布置應(yīng)該避開高的煤柱應(yīng)力影響區(qū)，因此，優(yōu)先選擇將巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，對(duì)巷道后期受力和維護(hù)十分有利。同時(shí)對(duì)提出的3種近距離煤層回采巷道布置方案進(jìn)行數(shù)值模擬對(duì)比分析得出，方案2雖然維護(hù)難度有一定程度的增加，但是可以多采出3 m煤柱，可以多回收煤炭資源8 617 t，綜合確定方案2為最合理方案。

2) 通過加強(qiáng)29205綜采工作面回采巷道的支護(hù)強(qiáng)度，在29205綜采工作面回采期間，回采巷道圍巖穩(wěn)定性較好，實(shí)現(xiàn)了良好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益。

[1]張百勝,楊雙鎖,康立勛,等.極近距離煤層回采巷道合理位置確定方法探討[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2008,27(1):97-101.

[2]張偉.近距離煤層采空區(qū)下綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律[J].煤礦開采,2011,16(6):84-86.

[3]安宏圖.極近距離煤層采空區(qū)下回采巷道布置與圍巖控制技術(shù)研究[D].太原：太原理工大學(xué),2015.

[4]劉宗柱.近距離煤層群下煤層回采巷道布置及圍巖控制技術(shù)研究[D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2014.

[5]李斌.近距離煤層回采巷道布置方式研究[J].煤炭工程,2012(S2):27-29.

Research on Numerical Simulation of Mining Roadway Layout in Close Distance Coal Seams

FENG Qiyong

Takes the geological condition of No.8 and No.9 close distance coal seams in Xiqu coal seam as the engineering background, using the research methods of field measurement and numerical simulation, studies on 29205 full mechanized coal mining face mining roadway layout in the lower of north second panel. Through the analysis of surrounding rock vertical stress and plastic failure zone under the different roadway layout conditions of 29205 fully mechanized coal mining face, obtains the reasonable mining roadway layout under the geological conditions of No.8 and No.9 close distance coal seams, and the results of numerical simulation for No.8 and No.9 close distance coal seams mining play a guiding role.

Close distance coal seams; Mining roadway; Numerical simulation; Plastic failure

2016-04-27

馮琦勇(1981—)，男，山西孝義人，2009年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，工程師，主要從事煤礦通風(fēng)安全技術(shù)管理工作

(E-mail)1547059092@qq.com

TD322

A

1672-0652(2016)05-0032-04