保護層下傾斜煤層回采巷道布置位置的研究

賀增源

(安徽理工大學 能源與安全學院，安徽 淮南 232001)

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巷道支護理論與技術

保護層下傾斜煤層回采巷道布置位置的研究

賀增源

(安徽理工大學 能源與安全學院，安徽 淮南 232001)

煤層開采引起的應力集中會造成底板的破壞,底板應力場及破壞深度是決定近距離煤層巷道位置的重要因素。結(jié)合謝一礦4671B4工作面回采巷道的具體地質(zhì)力學條件，采用滑移線場理論計算確定了上保護層B6煤開采后的最大底板破壞深度和上層煤柱塑性區(qū)影響范圍。使用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析不同位置下巷道圍巖的力學特征及機巷和風巷的最大位移量，對工程實踐中采用內(nèi)錯式的布置方式的合理性進行驗證。

回采巷道；底板破壞深度；滑移線場理論；數(shù)值模擬

煤層開采后煤層底板在煤柱區(qū)應力一直處于上升狀態(tài),底板煤巖層處于壓縮狀態(tài);而在采空區(qū)下方底板應力總是處于下降狀態(tài),底板煤巖體處于膨脹狀態(tài)。巖體在煤柱邊緣區(qū)內(nèi)最易產(chǎn)生裂隙并發(fā)生破壞[1]。煤層距離較近時，上下煤層回采期間，相互影響較大。煤層傾角較大時，回采巷道支護困難，圍巖控制不當易引發(fā)安全事故。因此在布置回采巷道時，應使回采巷道處于低應力區(qū)域，保障回采巷道在掘進回采期間能滿足采面通風、行人、運輸?shù)纫骩2]。

本文根據(jù)滑移線場理論[3-7]，計算確定了謝一礦B6煤開采后的煤層底板破壞深度和上層煤柱塑性區(qū)影響范圍，在B4煤回采巷道布置時選擇內(nèi)錯式的布置方式。使用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析不同內(nèi)錯距離下巷道圍巖的力學特征及機巷和風巷的最大位移量，驗證了巷道布置位置的合理性，避免了巷道圍巖的變形破壞[8-10]。

1　工程背景

謝一礦B4煤層傾角20～26°，平均24°，B6煤層傾角20～26°，平均24°，屬于傾斜煤層。B6，B4煤層賦存較穩(wěn)定，兩層煤平均間距為22m。B6煤厚在0.6～2.6m之間，平均約為1.6m，直接底為砂質(zhì)泥巖。 B4煤由B4a煤、B4b煤和夾雜的泥巖組成，平均厚度為3.8m，直接頂和直接底為砂質(zhì)泥巖。4271B6最大采高為2.3m，采用全部垮落法管理頂板。4671B4工作面風巷布置在-600m標高，機巷布置在-660m標高。

該塊段B4煤層為突出危險區(qū)，回采范圍內(nèi)上覆B6煤層作為保護層正在回采；在實際生產(chǎn)過程中，為了解決采掘接替的問題，B4煤層的機巷和風巷已掘進，B4煤落后于B6煤30m開始回采。目前，在工程實踐中多采用工程類比的方法確定回采巷道的位置，回采巷道的位置布置不合理時，往往會產(chǎn)生嚴重的破壞，易發(fā)生安全事故，影響正常的生產(chǎn)。因此，保護層下傾斜煤層回采巷道合理位置的研究具有較為重要的意義。

2　理論計算

采空區(qū)底板下一定范圍內(nèi)的巖體，當采空區(qū)旁的煤柱或煤體作用在其上的支承壓力達到或超過其臨界值時，底板巖體產(chǎn)生塑性變形，形成塑性區(qū)；當支承壓力達到或超過導致部分巖體完全破壞的最大承載能力發(fā)生破壞時，塑性區(qū)貫通，形成一個連續(xù)的滑移面。利用滑移線場理論，建立采空區(qū)下底板巖體破壞模型，如圖1所示。

圖1　滑移線場理論底板破壞深度計算

由圖1推導得出底板屈服破壞深度h為：

(1)

(2)

(3)

由極限平衡理論計算煤壁塑性區(qū)寬度x0為：

(4)

由式(1)～(4)得出采空區(qū)底板巖層最大屈服破壞深度hmax為：

(5)

底板巖體最大破壞深度距煤體(柱)水平距離l1為：

l1=hmaxtanφf

(6)

采空區(qū)側(cè)底板破壞區(qū)域沿水平方向長度l2為：

(7)

式中，M為采厚，m；應力集中系數(shù)k為2；上覆巖層的平均體積力γ為25kN/m3；采深H為620m；煤層黏結(jié)力C為1.25MPa；煤層內(nèi)摩擦角φ為15°；煤層與頂?shù)装迥Σ料禂?shù)f為0.27；三軸應力系數(shù)ξ為1.70；底板巖層內(nèi)摩擦角φf為36.4°。

采高不同時，底板巖體破壞范圍不同。結(jié)合謝一礦的B6煤層及底板巖體物理力學參數(shù)測試結(jié)果計算可得，采空區(qū)底板最大破壞深度為13.58m；極限平衡理論計算煤壁塑性區(qū)寬度x0為7.28m；底板巖體最大破壞深度距煤體(柱)水平距離l1為10.01m。在工程實踐中B6與B4煤平均相距22m，B4煤回采巷道頂板受到B6煤開采擾動破壞的影響不大。

3　數(shù)值模擬

3.1計算模型的建立

根據(jù)謝一礦開采與地質(zhì)力學條件，利用FLAC3D有限差分軟件對B6煤采空區(qū)下4671B4工作面回采巷道的內(nèi)錯布置情況進行數(shù)值模擬分析，以確定其合理布置位置?？紤]到計算需要，數(shù)值計算模型x方向上的長度為360m，y方向的長度為270m，z方向的長度為250m，模型中模擬的B6煤層厚度為1.6m，B4煤層厚度為3.8m，工作面傾斜長度180m，沿走向推進150m，網(wǎng)格數(shù)24596個,節(jié)點數(shù)28056個。工作面方向平行于x軸,推進方向為z軸,鉛直方向為y軸。頂?shù)装宀糠謳r層巖性及物理力學參數(shù)見表1。

表1　數(shù)值計算中部分巖層物理力學參數(shù)

模型建立后，模型的4個側(cè)面施加法向約束；頂部為自由邊界，模型上部施加垂直載荷模擬上覆巖層的重量，使得模型在彈性狀態(tài)下達到初始平衡狀態(tài)，模型的本構關系為摩爾-庫倫塑性本構關系，首先開挖B6煤層，然后開挖B4煤層風巷、機巷和切眼使其貫通，然后對工作面實施分步開挖，一步開挖10m。在數(shù)值模擬過程中，為使B4煤的回采巷道布置在B6煤層采空區(qū)下的應力降低區(qū)域，從B6煤保護煤柱正下方，將B4煤回采巷道的位置向采空區(qū)側(cè)移動，每2m進行一次模擬。為消除邊界影響，四周各留出50m，三維數(shù)值計算模型見圖2。

圖2　三維數(shù)值計算模型

3.2模擬結(jié)果分析

圖3為機巷和風巷垂直應力分布云圖局部放大。從圖3中可以得出：機巷和風巷底板的應力與頂板和兩幫的應力相比較低，因此機巷和風巷的頂板和兩幫易發(fā)生破壞。機巷周圍的應力大于風巷，這是由于開采的煤層為傾斜煤層，在風巷的右?guī)统霈F(xiàn)應力集中，因此風巷的右?guī)腿菀装l(fā)生破壞。

圖3　機巷和風巷垂直應力分布云圖局部放大

圖4為不同位置下機巷風巷保護層下傾斜煤層開采后機巷和風巷周圍垂直應力分布的應力云圖。從圖4中可以看出，隨著機巷和風巷向煤壁采空區(qū)一側(cè)不斷平移的過程中，機巷和風巷逐漸進入應力降低區(qū)，機巷和風巷的變形量也逐漸減少，這樣有利于巷道的維護，減少巷道的支護費用，提高巷道的使用壽命和安全性。

圖4　傾斜煤層開采后巷道周圍垂直應力分布

圖5為不同位置下風巷和機巷最大變形量變化曲線。從圖5可以得出，在機巷和風巷向采空區(qū)側(cè)平移的過程中，可以得出機巷和風巷在12～24m進入應力降低區(qū)。在工程實踐中，在保障安全的前提下，為了保證工作面的長度，提高煤炭的采出率，選擇將風巷布置在煤壁采空區(qū)一側(cè)10～15m的范圍內(nèi)，與理論計算和數(shù)值模擬的結(jié)果相符合。

圖5　風巷和機巷最大變形量變化曲線

4　結(jié)　論

(1)保護層下傾斜煤層回采巷道在煤層回采過程中機巷周圍圍巖應力明顯大于風巷，這是由于煤層的傾角較大，造成風巷和機巷周圍的應力分布不同。因此兩巷在選擇巷道支護設計方案時應該區(qū)別對待，保證煤礦生產(chǎn)安全經(jīng)濟高效。

(2)機巷和風巷底板的應力與頂板和兩幫的應力相比較低，因此機巷和風巷的頂板和兩幫易發(fā)生破壞。在風巷的右?guī)统霈F(xiàn)應力集中，故而風巷的右?guī)腿菀装l(fā)生破壞。因此，風巷的支護重點是頂板和兩幫，機巷支護時尤其要加強右?guī)椭ёo。

(3)在理論計算中，當B6煤采高為1.6m時，采空區(qū)底板最大破壞深度為13.58m，底板巖體最大破壞深度距煤柱(體)水平距離為10.01m，B6與B4煤相距22m，B4煤回采巷道頂板不會受到擾動破壞的影響。結(jié)合數(shù)值模擬的結(jié)果，B4煤回采巷道在12～24m范圍內(nèi)變形量較小，因此在巷道布置時要綜合考慮現(xiàn)場地質(zhì)條件和經(jīng)濟效益等因素，現(xiàn)場選用在內(nèi)錯10～15m的范圍內(nèi)布置回采巷道，與理論計算和數(shù)值模擬的結(jié)果相符合。

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[責任編輯：王興庫]

Layout Position Studying of Mining Roadway with Inclined Coal Seam under Protective Layers

HE Zeng-yuan

(Energy and Safety School，Anhui University of Science & Technology，Huainan 232001，China)

The floor could be destroyed by stress concentration that caused by coal seam mining，floor stress filed and destroyed depth were the main factors，which decided roadway position under contiguous seams，with the geological situation of mining roadway of 4671B4 working face in Xieyi coal mine，the maximal destroyed depth and plastic influenced scope of upper coal pillar was determined by slip line field theory after upper protective layer B6 coal seam was mined.The mechanical characters of surrounding rock under different positions and the maximal displacement of air roadway were analyzed by software FLAC3D，then the reasonable of internal misaligned arrangement was verified by practical in filed.

mining roadway；floor destroyed depth；slip line field theory；numerical simulation

2016-04-18

國家自然科學基金(51374013)；高等學校博士點基金(20133415110006)；霍英東教育基金( 121050 ); 安徽省科技攻關計劃項目(1604a0802107); 高校優(yōu)秀拔尖人才培育資助項目(gxbjZD2016051)；安徽高校科研平臺創(chuàng)新團隊建設項目; 安徽省學術和技術帶頭人及后備人選學術科研活動資助經(jīng)費

賀增源(1991-)，男，湖南永州人，在讀研究生，主要從事礦山壓力及其控制和巷道支護方面的研究。

TD263.1

A

1006-6225(2016)05-0040-04

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.05.012

[引用格式]賀增源.保護層下傾斜煤層回采巷道布置位置的研究[J].煤礦開采，2016，21(5)：40-43.