錢家營礦工作面巷道布置模擬研究

王志強(qiáng)，郭 磊，劉宏軍，邢瑞軍，蘇 越

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083)

開采技術(shù)與裝備

錢家營礦工作面巷道布置模擬研究

王志強(qiáng)，郭 磊，劉宏軍，邢瑞軍，蘇 越

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083)

采用理論分析、數(shù)值模擬和相似模擬方法對傳統(tǒng)留煤柱巷道布置和錯層位巷道布置進(jìn)行研究。首先確定傳統(tǒng)巷道布置的煤柱寬度，并進(jìn)行合理性驗(yàn)證，以及錯層位巷道采用外切式布置；其次根據(jù)錢家營煤礦實(shí)際地質(zhì)條件，模擬研究不同寬度煤柱在煤體開挖后的圍巖應(yīng)力和變形破壞，得出了12-1煤層區(qū)段煤柱的合理寬度為6m，彈性核寬度為3.2m，與錯層位巷道布置進(jìn)行對比，最后采用相似實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究2種巷道布置上覆巖移狀態(tài)，為12-1煤層后續(xù)開采巷道布置提供依據(jù)。

煤柱；錯層位布置；合理尺寸；彈性核

綜采工作面區(qū)段平巷布置有單巷布置和雙巷布置2種[1],留設(shè)區(qū)段煤柱一直是傳統(tǒng)的護(hù)巷方法，其方法是在上區(qū)段運(yùn)輸平巷和轄區(qū)段回風(fēng)平巷之間留設(shè)一定寬度的煤柱，使下區(qū)段平巷避開支撐應(yīng)力峰值區(qū)[2]。區(qū)段煤柱的作用一方面是隔離采空區(qū)，另一方面是保證下區(qū)段巷道的穩(wěn)定性。煤柱的合理寬度不僅關(guān)系到回采巷道的支護(hù)效果，而且影響煤礦的安全生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)效益。煤柱過窄，雖然能減少煤炭損失，但煤柱容易失穩(wěn)，不僅給巷道維護(hù)造成困難而且容易造成采空區(qū)漏風(fēng)；煤柱過寬，不僅導(dǎo)致煤炭資源的浪費(fèi)，而且難以保證巷道處在支承應(yīng)力卸壓帶范圍內(nèi)[3]。

隨著煤層開采厚度的增加，煤柱留設(shè)寬度也相應(yīng)增加，使得區(qū)段煤炭采出率長期處于較低的水平[4]。針對此類問題，趙景禮[5-8]等人提出了厚煤層錯層位巷道布置方法，并深入研究了錯層位巷道布置工作面的礦壓分布規(guī)律，提出提高綜合煤炭采出率的措施。劉朝輝[9]提出了在中厚煤層中采用錯層位巷道布置，并深入研究了錯層位巷道布置工作面“三段式”回采工藝、采出率等參數(shù)。王志強(qiáng)等人[10-11]深入研究了錯層位巷道布置下工作面上覆關(guān)鍵層的運(yùn)動規(guī)律，豐富了錯層位巷道礦壓分布規(guī)律的研究。

本文以開灤錢家營礦為例，通過在中厚煤層中進(jìn)行錯層位巷道布置，然后對比傳統(tǒng)留煤柱巷道布置，為錢家營礦2021E工作面巷道布置優(yōu)化提供依據(jù)。

1 工作面概況

錢家營礦2021E工作面位于二水平十采區(qū)東翼12-1煤層，開采深度為-571.9～-631.7m，回采煤層厚度1.4～4.0m，平均煤厚2.6m；密度1.35kg/m3，煤層傾角3～18°，平均6°，工作面煤層平均走向長732.3m，傾斜長平均189.8m。工作面局部煤層偽頂較為發(fā)育，厚度0～0.3m。2021E工作面同煤層傾斜上方1327東已采畢，傾斜下方暫未設(shè)計(jì)工程；工作面上覆9煤層1397東、2091東已采畢，上覆8煤層無工程，上覆7煤層1378東、1377東已采畢，上覆5煤層1357東、1358東已采畢。

煤層直接頂為炭質(zhì)泥巖，厚2.0m；基本頂為粉砂巖，厚13.7m，內(nèi)含少量泥巖；直接底為粉細(xì)砂巖，厚3.2 m；老底為中砂巖，厚7m。煤層頂?shù)装寰鶎僦械确€(wěn)定巖層。

2 工作面巷道布置

2.1 理論計(jì)算

2.1.1 傳統(tǒng)巷道布置下煤柱寬度的確定

根據(jù)文獻(xiàn)[2]，煤柱的承載能力與煤柱的力學(xué)性質(zhì)和煤柱幾何尺寸有關(guān)，保持煤柱穩(wěn)定的條件是在煤柱中央存在一定寬度彈性核，彈性核的寬度應(yīng)不小于煤柱高度2倍，其模型如圖1所示。

圖1 煤柱的彈塑性變形區(qū)及應(yīng)力分布

回采空間和采準(zhǔn)巷道兩側(cè)所形成的塑性區(qū)的寬度分別為x0和x1。計(jì)算公式為

B=x0+2m+x1

(1)

式中，B為煤柱寬度，m；m為煤層開采厚度，m；x0為回采空間在護(hù)巷煤柱兩側(cè)形成各自的塑性區(qū)寬度，m；x1為采準(zhǔn)巷道在護(hù)巷煤柱兩側(cè)形成各自的塑性區(qū)寬度，m。

根據(jù)巖體極限平衡理論，塑性區(qū)的寬度及支撐應(yīng)力峰值與煤體(煤柱)邊緣之間距離的公式x0為

(2)

式中，K為應(yīng)力集中系數(shù)；P1為支架對煤幫的阻力，kN；H為巷道埋深，m；γ為上覆巖層平均體積力，kN/m；C為煤體的黏聚力，MPa；φ為內(nèi)摩擦角，(°)；f為煤層與頂?shù)装褰佑|面摩擦系數(shù)；ξ為三軸應(yīng)力系數(shù)。

根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)和煤層賦存條件，參數(shù)選取的原則是：在一側(cè)采動時，K取2.5；兩側(cè)采動時，K取4.0，P1取0；由于煤層采高與巷道高度不同，考慮開采的綜合影響，m取采高與巷道高度之和的1/2；C通常取0.45～0.75MPa。結(jié)合錢家營煤礦2021E工作面的具體地質(zhì)條件，理論計(jì)算合理煤柱尺寸為6.25m，為了最終方便與錯層位巷道布置形式進(jìn)行對比，最終確定巷道寬度為6m。

2.1.2 錯層位巷道布置

根據(jù)文獻(xiàn)[4]，將工作面兩端的區(qū)段進(jìn)風(fēng)巷與回風(fēng)巷分別布置在厚煤層的不同層位立體化相互交錯搭接，構(gòu)成了不同的巷道搭接形式。典型的錯層位巷道布置有內(nèi)錯式、重疊式、外切式和外錯式，如圖2所示。根據(jù)上巷回風(fēng)巷起坡角計(jì)算以及煤層地質(zhì)條件，此處選擇錯層位外切式進(jìn)行數(shù)值模擬。

1—下一工作面進(jìn)風(fēng)巷；2—上一工作面回風(fēng)巷

2.2 數(shù)值模擬

2.2.1 數(shù)值模型

采用FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件進(jìn)行模擬分析，根據(jù)錢家營礦2021E工作面地質(zhì)條件，建立傳統(tǒng)巷道布置下不同寬度煤柱，即6，10和15m煤柱寬度下巷道圍巖狀態(tài)數(shù)值模擬模型和錯層位巷道布置下工作面巷道受力模型，分析并優(yōu)化煤柱寬度，并對比錯層位外切式布置下煤柱內(nèi)支撐應(yīng)力、位移及煤柱內(nèi)部塑性區(qū)分布規(guī)律。

模型尺寸為200m(x)×170m(y)×95m(z)，其中X軸方向?yàn)楣ぷ髅娣较?，Y軸沿工作面推進(jìn)方向，Z軸為重力方向，傳統(tǒng)巷道布置和錯層位巷道布置建立的模型及地層分組具體情況如圖3所示。模型上部邊界距地表600m，底部邊界垂直方向固定，左右邊界方向固定，地應(yīng)力根據(jù)實(shí)測地應(yīng)力進(jìn)行施加，模型上部巖體施加豎向地應(yīng)力15.6MPa。

數(shù)值模型在初始地應(yīng)力平衡之后，進(jìn)行上區(qū)段工作面的回采，為單側(cè)開采，工作面開采尺寸為195m×2.6m(寬×高)，模型四周留邊界煤柱30m，工作面推進(jìn)長度170m，模型每次開挖推進(jìn)長度30m。模型采用莫爾-庫倫本構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算，相關(guān)巖層力學(xué)參數(shù)詳見表1。

圖3 12-1煤回采巷道FLAC3D模型

表1 各巖層力學(xué)參數(shù)

巖層體積模量/GPa剪切模量/GPa密度/(kg·m-3)摩擦角/(°)黏聚力/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa細(xì)砂巖4 502 252450323 002 60粉砂巖4 002 002400424 604 30炭質(zhì)泥巖3 301 652400424 404 0012-1煤4 502 251350323 002 60粉砂巖4 002 002500424 003 60粉砂巖4 002 002500294 203 80中砂巖3 201 602500293 803 40

2.2.2 煤柱寬度數(shù)值計(jì)算

2.2.2.1 應(yīng)力場分布與煤柱寬度的關(guān)系

圖4為傳統(tǒng)巷道布置下煤柱寬度6，10，15m和錯層位巷道布置下梯形煤柱6m情況下工作面的垂直應(yīng)力(SZZ)的分布規(guī)律。同時對巷道中間高度位置煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力信息進(jìn)行提取分析比較，切片為y=115m處。不同煤柱寬度對應(yīng)的煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力分布如圖5所示。

由圖4～5看出，煤柱峰值點(diǎn)都分布在靠近采空區(qū)側(cè)，符合垂直應(yīng)力在傾向方向上的分布規(guī)律。在單側(cè)采空條件下，煤柱寬度不同，內(nèi)部圍巖垂直應(yīng)力分布也相應(yīng)不同。當(dāng)煤柱寬度為6m時，煤柱支承應(yīng)力峰值為100MPa，煤柱內(nèi)支承應(yīng)力峰值距煤壁1.6m，應(yīng)力集中系數(shù)6.09，高于原巖應(yīng)力，同時2條巷道靠近煤柱側(cè)，發(fā)生塑性破壞，支承應(yīng)力成近似的蝶形狀分布，由此說明煤柱內(nèi)部存在彈性核。由圖5(a)知煤柱中間的彈性核寬度為3.2m，煤柱處于安全狀態(tài)，具有一定的承載能力。煤柱寬度為15m時，煤柱支承應(yīng)力峰值距離煤壁4m，煤柱中心位置接近應(yīng)力最低點(diǎn)近20MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為4.26，彈性核區(qū)域范圍為6m，彈性核分布范圍增大，煤柱承載能力增強(qiáng)。隨著煤柱寬度的繼續(xù)增大，煤柱支承應(yīng)力峰值呈逐漸遞減的趨勢，內(nèi)部彈性穩(wěn)定區(qū)增大，煤柱承受能力顯著增強(qiáng)。

圖4 傳統(tǒng)巷道布置下不同寬度煤柱和錯層位巷道布置6m煤柱垂直應(yīng)力分布

圖5 不同煤柱尺寸及錯層位煤柱(6m)垂直應(yīng)力曲線

由圖4(d)看出，在錯層位巷道布置下，運(yùn)輸巷道承受的垂直應(yīng)力(SZZ)較小，由于巷道上方采空區(qū)的影響，所以巷道左側(cè)和上方的應(yīng)力較傳統(tǒng)巷道顯著減小，巷道變形減小，巷道的維護(hù)強(qiáng)度降低，同時減少了煤柱的損失。需要說明的是，由于采用的是矩形巷道布置，因此在錯層位巷道右上角和右下角出現(xiàn)了應(yīng)力集中的現(xiàn)象，掘巷時可以通過優(yōu)化巷道布置形狀，避免巷道邊角處出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

由圖5(d)看出，煤柱內(nèi)部支承應(yīng)力值向巷道方向逐漸遞增，峰值位置靠近巷道左幫，峰值為10MPa，小于原巖應(yīng)力。需要注意的是，梯形煤柱左半部分，即三角煤柱區(qū)域處于采空區(qū)下方，處于應(yīng)力降低區(qū)域，支承應(yīng)力值小于原巖應(yīng)力，而靠近巷道左幫處，圍巖已經(jīng)完全破壞，應(yīng)力值也小于原巖應(yīng)力，2個區(qū)域低于原巖應(yīng)力的機(jī)理是不同的。

2.2.2.2 煤柱塑性區(qū)變化規(guī)律

分別提取2種巷道布置下工作面推進(jìn)方向y=115m處切片塑性分布狀態(tài)信息，具體情況如圖6所示。

圖6 傳統(tǒng)巷道布置不同寬度煤柱和錯層位巷道布置6m煤柱塑性區(qū)分布示意

由圖6可知，傳統(tǒng)留煤柱巷道布置下，不同寬度煤柱的塑性區(qū)破壞區(qū)不同，從本質(zhì)上來說，煤柱支撐能力的強(qiáng)弱可以通過煤柱本身的破壞程度來獲得更加直觀的反映，當(dāng)傳統(tǒng)巷道布置下煤柱寬度為10和15m時，煤柱中間有較大的彈性核區(qū)域，說明煤柱承載能力較強(qiáng)，而且煤柱內(nèi)部塑性破壞區(qū)域范圍?。划?dāng)煤柱寬度為6m時，煤柱仍然具有一定的彈性核區(qū)域，只是范圍較小。因此可以認(rèn)為6m寬度為煤柱完全破壞的極限寬度。

在錯層位巷道布置形式下，塑性區(qū)范圍多集中在上區(qū)段回風(fēng)巷道下方和下區(qū)段運(yùn)輸巷道左方，在錯層位梯形煤柱中分布范圍較小(梯形煤柱為上區(qū)段回風(fēng)巷及工作面抬高部分與下區(qū)段運(yùn)輸巷之間形成的煤柱區(qū)域)。通過對比分析，在錯層位巷道布置下，煤柱破壞范圍分布較小，且煤柱分布在采空區(qū)下，穩(wěn)定性較好，同時減少了今后下層煤體開采中應(yīng)力的傳遞。

綜合分析，在傳統(tǒng)留煤柱巷道中，留設(shè)6m煤柱能較好地達(dá)到減小煤柱尺寸和承載上覆應(yīng)力的目的，而錯層位巷道布置在巷道應(yīng)力分布及煤柱內(nèi)部穩(wěn)定性上比傳統(tǒng)巷道布置留設(shè)6m煤柱更有優(yōu)勢。

2.3 相似模擬

試驗(yàn)平臺采用中國礦業(yè)大學(xué)(北京)采礦工程實(shí)驗(yàn)室的二維試驗(yàn)臺及平面應(yīng)力模型。設(shè)幾何相似比為αL=200∶1，體積密度比αγ= 1.6∶1，模擬與實(shí)體所有各對應(yīng)點(diǎn)的運(yùn)動情況要求相似，即各對應(yīng)點(diǎn)的速度、加速度、運(yùn)動時間等都成一定比例。因此，要求時間比為常數(shù)，即αt=14.1。

模型底面限制垂直移動，模型上部邊界施加垂直應(yīng)力。試驗(yàn)中采用Nikon DTM -53IE型全站儀、CM-2B型靜態(tài)應(yīng)變儀以及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等儀器，研究煤層在采用傳統(tǒng)留煤柱巷道布置和錯層位巷道布置形式下上覆巖層的運(yùn)移規(guī)律以及接續(xù)工作面頂板整體垮落特征和應(yīng)力分布規(guī)律。

為了突出錯層位接續(xù)工作面上覆巖層運(yùn)移特點(diǎn)，特選取一留設(shè)6m區(qū)段煤柱的傳統(tǒng)綜放開采進(jìn)行對比，如圖7所示，圖7(a)為工作面覆巖垮落前示意圖，中部為工作面，工作面左側(cè)為錯層位巷道布置，右側(cè)為傳統(tǒng)留煤柱巷道布置，圖7(b)為工作面推進(jìn)完成后覆巖垮落后示意圖。

傳統(tǒng)綜放開采工作面之間留設(shè)區(qū)段煤柱，由于有了煤巖柱的阻隔，工作面各自形成一個“梯形”垮落穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，如圖7(b)所示，煤層采出后，上覆巖層將其壓力轉(zhuǎn)移到煤柱上，煤柱受到上覆巖層強(qiáng)烈壓力會出現(xiàn)壓酥、壓裂，造成上覆巖層整體急劇下沉，礦壓顯現(xiàn)十分劇烈，甚至造成煤柱的突然性破壞，誘發(fā)沖擊地壓。

圖7 傳統(tǒng)巷道布置與錯層位巷道布置巖層運(yùn)移對比

錯層位外切式開采取消了工作面留設(shè)的區(qū)段煤柱，如圖7(a)左側(cè)所示，工作面之間由于沒有了煤巖層的阻隔，接續(xù)工作面上覆巖層一開始垮落就與上一工作面連成一個整體，接續(xù)工作面開采到一定范圍時， 2個工作面形成一個公共關(guān)鍵層，類似于1個超長工作面。同時試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用錯層位綜放開采地表下沉緩慢均勻，地表不會出現(xiàn)坑坑洼洼的現(xiàn)象。

3 結(jié) 論

(1)傳統(tǒng)區(qū)段煤柱寬度尺寸較大時，單側(cè)采空煤柱內(nèi)支承應(yīng)力呈近似蝶形狀分布，煤柱中間存在彈性核，隨著煤柱尺寸的增大，彈性核區(qū)域增加，煤柱承載能力增大。

(2)傳統(tǒng)巷道布置下，通過理論分析確定煤柱合理尺寸為6m，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，煤柱寬度6m時，存在較小的彈性核區(qū)域，煤柱塑性區(qū)范圍較大。

(3)在傳統(tǒng)留煤柱巷道布置情況下，引入錯層位巷道布置法，在減小垂直應(yīng)力和降低塑性區(qū)分布范圍等方面，錯層位巷道布置具有較明顯的優(yōu)勢。

(4)通過布置錯層位巷道，可減小煤柱損失，提高煤炭資源采出率，應(yīng)力減小，進(jìn)一步減少巷道維護(hù)成本，降低錢家營巷道布置等成本。

[1]徐永圻.煤礦開采學(xué)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2009.

[2]錢鳴高.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2011.

[3]孔德中，王兆會，李小萌，等.大采高綜放面區(qū)段煤柱合理留設(shè)研究[J].巖土力學(xué)，2014(S2)：460-466.

[4]趙景禮，李向陽，李友軍，等.錯層位巷道布置在礦區(qū)綠色開采中的應(yīng)用[A].中國煤炭機(jī)械工業(yè)協(xié)會.第三屆全國煤礦機(jī)械安全裝備技術(shù)發(fā)展高層論壇暨新產(chǎn)品技術(shù)交流會論文集[C].中國煤炭機(jī)械工業(yè)協(xié)會，2012.

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[責(zé)任編輯：李 青]

Simulation Studying of Working Face Roadway of Qianjiaying Coal Mine

WANG Zhi-qiang,GUO Lei，LIU Hong-jun,XING Rui-jun,SU Yue

(School of Resources and Safety Engineering，China University of Mine Technology(Beijing )，Beijing 100083，China)

The ordinary roadway arrangement with coal pillar layout and stagger roadway arrangement were studied by theory analysis，numerical simulation and similarity simulation method.Firstly，coal pillar width or ordinary roadway arrangement was determined and then its rationality was verified，and exterior layout was applied in stagger layer roadway，then according geological situation of Qianjiaying coal mine，surrounding rock stress and deformation broken after coal excavation under different coal pillar width were simulation studied，then reasonable coal pillar width of 12-1 coal seam is 6m，and elastic core width is 3.2m，compared with stagger layer roadway arrangement，the overburden displacement of two different roadway arrangement were studied with similarity simulation in laboratory，it references for mining roadway layout of 12-1 coal seam.

coal pillar；elastic core；stagger arrangement；reasonable size

2016-08-25

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.02.005

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51404270)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2011QZ06)

王志強(qiáng)(1980-)，男，內(nèi)蒙古呼倫貝爾人，副教授，從事礦壓方向研究。

王志強(qiáng)，郭 磊，蘇 越.錢家營礦工作面巷道布置模擬研究[J].煤礦開采，2017，22(2)：19-23，109.

TD822.2

A

1006-6225(2017)02-0019-05