淺埋多次采動煤柱下雙巷變形特征研究

楊偉名，朱衛(wèi)兵，齊祥瑞

(1.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學 深部煤炭資源開采教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

淺埋多次采動煤柱下雙巷變形特征研究

楊偉名，朱衛(wèi)兵，齊祥瑞

(1.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學 深部煤炭資源開采教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

針對活雞兔井寬煤柱下雙巷因上下煤層同步開采而經(jīng)歷多次采動影響的問題，采用FLAC3D數(shù)值模擬及現(xiàn)場實測方法，對35m寬煤柱下的雙巷變形特征進行研究。結(jié)果表明：上煤層工作面采后煤柱下巷道頂?shù)装謇塾嬜冃瘟繛?6mm，下煤層工作面開采后巷道受4次采動影響的頂?shù)装謇塾嬜冃瘟考s為201mm，巷道變形速度在工作面超前15m處均開始加快，但煤柱下巷道受下煤層采動影響的變形增量大于受上煤層采動影響的變形增量?，F(xiàn)場實測表明，經(jīng)歷第4次采動影響下的巷道在距離工作面15～30m處變形速度加快，最終頂?shù)装逡平績H增加32mm，兩幫移近量僅增加24mm，巷道變形量極小，可保障礦井的安全高效生產(chǎn)，并為類似條件下礦井的巷道維護提供借鑒。

淺埋煤層；多次采動；寬煤柱；巷道變形；同步開采

神東礦區(qū)地處陜蒙晉交界，是典型的淺埋多煤層賦存地區(qū)，具備實現(xiàn)高強度開采的優(yōu)良地質(zhì)條件。但部分礦井煤層距離很近，層間距最小處僅為0.8m，導致采空區(qū)下的回采巷道無法使用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護方式，大幅度地降低了成巷速度，影響工作面生產(chǎn)效率。國內(nèi)學者對極近距離煤層回采巷道的合理布置問題作出了相關(guān)的研究[1-7]，一般認為將下部煤層回采巷道布置在上部殘留煤柱形成的應力降低區(qū)內(nèi)，避開煤柱壓力集中區(qū)使巷道穩(wěn)定性較強[8]，陳蘇社等還認為巷道的穩(wěn)定性受埋深、層間巖性等因素影響，并研究了不同埋深下巷道受3次采動影響的變形特征[9]。

以大柳塔礦活雞兔礦井為例，下煤層回采巷道掘出后上下工作面保持一定錯距同時回采。由于對極近距離煤層煤柱下雙巷布置的實踐經(jīng)驗不足，為保證安全生產(chǎn)，研究決定將上煤層的區(qū)段煤柱留設(shè)寬度為35m。開采實踐表明下煤層巷道受到3次采動影響的累計變形量小，不影響巷道的正常使用。當下煤層工作面繼續(xù)開采時，巷道受到第4次采動影響，開采格局形成臨空巷道，且部分其他礦區(qū)的研究結(jié)果表明臨空巷道有大變形現(xiàn)象[10]，神東礦區(qū)類似地質(zhì)條件下的采場及調(diào)節(jié)巷道也都曾經(jīng)出現(xiàn)過冒頂事故[11-12]，研究人員對神東礦區(qū)臨空巷道變形量的認識較少[13]，而且并未對巷道受4次采動影響的變形特征進行過研究，為確保安全高效開采的順利進行，迫切需要對此問題加以研究。鑒于此，本文將采用數(shù)值模擬及現(xiàn)場實測的方法研究上煤層2個工作面、下煤層相鄰工作面及本工作面的開采對煤柱下巷道變形的影響。

1 礦井開采條件

大柳塔礦活雞兔井三盤區(qū)1-2上煤和1-2煤為極近距離淺埋煤層，1-2煤埋深為107m。12314回風平巷和12315運輸平巷提前掘出，兩煤層工作面保持一定錯距同時回采，其中12315運輸平巷位于12312采空區(qū)與12313采空區(qū)之間的35m寬煤柱下，如圖1所示。工作面對應地表主要由沙、土覆蓋，無基巖出露，上覆基巖厚度60～110m，平均80m，松散層厚度5～10m，平均6m。初采期0～1500m范圍內(nèi)的1-2上煤與1-2煤層間距0.8～12m，在12314回風平巷和鄰近12315運輸平巷位置，煤層間距僅1m左右。

圖1 12314與12315工作面剖面

2 數(shù)值模擬研究

為了研究活雞兔井12315工作面的運輸平巷因上下煤層工作面同時回采而受到4次采動影響的巷道變形特征，采用FLAC3D計算軟件進行模擬分析。

2.1 模型的建立

根據(jù)活雞兔礦井工作面綜合柱狀圖構(gòu)建計算模型。模型的走向長度為300m，傾斜長度300m，模型高度103m，其中下煤層底板到模型頂界面距離為84m，由于現(xiàn)場1-2煤埋深107m，需在模型頂界面加均布載荷達到增加埋深的效果?？紤]到下煤層12314工作面的回風平巷及12315運輸平巷附近煤層間距為1～2m，厚度不均勻，因此模型擬用2m的層間距進行研究。

模型中巷道頂板采用5排錨桿支護，錨桿長2.1m，間排距為1000mm×1000mm；頂板還設(shè)有4排錨索，錨索長8m，間排距1500mm×1500mm。煤壁正副幫各有4排錨桿，間排距均為900mm×1000mm，其中副幫錨桿長1.6m，正幫錨桿長1.8m，與現(xiàn)場支護基本一致。

為了研究下煤層運輸平巷受4次采動影響的變形情況，將巷道圍巖劃成0.5m×10m×1m的塊體。數(shù)值計算采用Mohr-Coulomb彈塑性屈服準則進行模擬計算，煤巖體物理力學參數(shù)見表1。

表1 煤巖體物理力學參數(shù)

2.2 模型開采過程

首先掘出煤巷1和2，巷道寬度為5.5m，高度為3m，上煤層區(qū)段煤柱為35m，下煤層巷道3和4分別與煤柱邊界外錯4.5m，此時下煤層區(qū)段煤柱為15m。在巷道3和4的走向方向150m處頂?shù)装逡约皟蓭筒贾帽O(jiān)測點。煤巷3和4每次掘進10m。接著模擬工作面正常開挖階段，上煤-1面左側(cè)留有30m煤柱，沿著走向方向每循環(huán)開挖20m，以同樣的方法模擬開挖上煤-2面及下煤-1面，下煤-2面挖至140m后停止開挖，如圖2所示。根據(jù)測點監(jiān)測結(jié)果，分析巷道3和4受多次采動影響下的變形特征。

圖2 監(jiān)測巷道與測點布置示意

2.3 巷道3受3次采動影響后變形特征分析

以巷道3的150m處測點為基準點，工作面與基準點的相對位置為橫坐標，其中負值表示在工作面推進過程中，測點位于煤壁一側(cè)與工作面所在平面的垂直距離，正值表示測點位于采空區(qū)一側(cè)與工作面所在平面的垂直距離。工作面推進至不同位置時煤柱下巷3變形曲線見圖3。

圖3 巷3受3次采動影響變形曲線

由圖3可以看出：上煤-1面開采時，從工作面推進至所布測點前15m處開始巷3變形速度加快，開采完成后，巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平糠謩e為22.63mm和12.06mm，變形較緩和。上煤-2面開采對巷3變形特征的影響與上煤-1面相同，均在工作面推進至所布測點前15m處開始巷3變形速度加快，但上煤-2面的開采對巷3變形量影響較大，開采結(jié)束后巷道頂?shù)装逡平吭黾拥?6.78mm，兩幫移近量增加到42.76mm?？梢耘袛嘞锏雷冃瘟考铀僭龃笫怯捎谠诠ぷ髅嫱七M過程中，采空區(qū)與巷道之間產(chǎn)生應力集中的結(jié)果。下煤-1面開采至測點前10m處時，巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平糠謩e為119.6mm和86.5mm。

2.4 巷道4受4次采動影響后變形特征分析

以巷道4的150m處的測點為基準點，工作面與基準點的相對位置為橫坐標，其中負值表示在工作面推進過程中，測點位于煤壁一側(cè)與工作面所在平面的垂直距離，正值表示測點位于采空區(qū)一側(cè)與工作面所在平面的垂直距離。工作面推進至不同位置時煤柱下巷4變形曲線見圖4。

由圖4可以看出：上煤-1工作面開采完成后巷4變形量較小，巷道頂?shù)装逡平繛?2mm，兩幫移近量為4mm。上煤-2面開采時，從工作面推進至測點前15m處開始巷道變形速度加快，巷4頂?shù)装逡平孔罱K穩(wěn)定為56mm，兩幫移近量為40.1mm。由于上煤-2面在巷4的正上方，所以上煤-2面開采對巷4變形影響的增量大于上煤-1面，而巷4作為下煤-1面的鄰近巷道，受到下煤-1面采動影響的變形增量要比上煤層工作面采動對巷4影響的變形增量大，所以在下煤-1面開采完成后，巷4頂?shù)装逡平繌?6mm增加到149.2mm，兩幫移近量從40.1mm增加到125.2mm。在下煤-2面推進至測點前10m處時，巷4頂?shù)装逡平繛?01.6mm，兩幫移近量為180.23mm。

圖4 巷4受4次采動影響變形曲線

綜上所述，巷道變形量受上煤層工作面開采影響較?。幌锏雷冃嗡俣仍诠ぷ髅娉?5m處開始加快；最終模擬巷道經(jīng)歷4次采動影響的頂?shù)装謇塾嬜冃瘟考s為201mm，兩幫累計移近量約為180mm。

3 工程效果驗證

12315運輸平巷凈寬5.0m，凈高3.8m，頂板為錨桿、錨索、金屬網(wǎng)支護，煤壁副幫為錨桿、金屬網(wǎng)和圓鋼鋼帶支護，正幫為玻璃鋼錨桿、塑料網(wǎng)支護。頂板采用5排錨桿支護，錨桿長2.1m，直徑16mm，間排距為1000mm×1000mm；頂板有4排錨索，錨索長8m，直徑17.8mm，間排距1500mm×1500mm。煤壁正副幫各有4排錨桿，間排距均為1000mm×1000mm，其中副幫錨桿長1.6m，直徑16mm，正幫錨桿長1.8m，直徑18mm。

經(jīng)實測，下煤層12315運輸平巷經(jīng)歷上煤層12312，12313工作面及下煤層12314工作面的3次采動影響后頂?shù)装謇塾嬕平考s為50mm，其中12314工作面開采時12315運輸平巷受第3次采動影響的頂?shù)装逡平考s為9mm[9]。為掌握12315運輸平巷受本工作面第4次采動影響的變形情況，在工作面前方布置4個觀測點對巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷淖冃芜M行監(jiān)測，如圖5所示，4個測點分別距離切眼162，172，181和186m，并分別命名為1，2，3和4號測點。12315運輸平巷變形量實測結(jié)果如圖6所示。

圖5 12315運輸平巷測點布置位置

圖6 12315運輸平巷變形量實測結(jié)果

由圖6(a)可知，12315運輸平巷頂板從距離工作面50m左右開始變形，隨著工作面的推進，變形速度開始加快；當距離工作面15～30m左右時，頂?shù)装逡平俣容^快，最終測得變形范圍為20～32mm。

由圖6(b)可知，12315運輸平巷兩幫也從距離工作面50m左右開始變形，當距離工作面25m時變形速度開始加快，最終巷道兩幫移近量范圍為13～24mm。

由監(jiān)測結(jié)果可知，雖然12315運輸巷布置在上煤層區(qū)段煤柱下方，但其變形量依然較小，其中頂?shù)装遄畲笠平繛?2mm，兩幫最大移近量為24mm。與數(shù)值模擬結(jié)果相符，因此實際巷道變形情況證實了該模擬的效果。

4 結(jié) 論

(1)數(shù)值模擬結(jié)果表明：上煤層開采對35m寬煤柱下巷道變形影響較?。蛔鳛榕R空巷時，巷道受第4次采動影響的變形量較??；巷道經(jīng)歷4次采動影響后累計變形量約為201mm。

(2)活雞兔井下煤層工作面開采后，實測12315運輸平巷受鄰近12314工作面第3次采動影響頂?shù)装逡平繛?mm，受本工作面第4次采動影響頂?shù)装逡平績H為32mm，兩幫移近量僅為24mm，與模擬結(jié)果一致，能夠滿足礦井安全高效開采。

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[責任編輯：姜鵬飛]

Double Roadway Deformation Characters Under Coal Pillar with Many Mining and in Shallow

YANG Wei-ming,ZHU Wei-bing，QI Xiang-rui

(1.Mine Engineering School，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China；2.Education Ministry Key Laboratory of Deep Coal Resources Mining,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116，China )

To many mining process problems of double roadways as upper and lower coal seam synchronous mining under wide coal pillar of Huojitu mine，field test and numerical simulation was applied，and the double roadways deformation characters under 35m width coal pillar was studied.The results showed that the total deformation amount between roof to floor of roadway would reached 201mm，which under coal pillar after upper coal seam working face mining，roadway deformation speed began accelerate at advanced 15m of working face，but the deformation amount that roadway influenced by lower coal seam under coal pillar than upper coal seam.The field test showed roadway deformation speed accelerate at the position 15～30m to working face after four mining influence，the final roof to floor sag increased only 32mm，and two sides convergence increased only 24mm，roadway deformation amount minimum，it could guaranteed for mine safety and production high efficiency，and references for similar situation.

coal seam in shallow，many mining ，wide coal pillar，roadway deformation，synchronous mining

2016-10-26

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.03.014

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973)項目(2013CB227900)

楊偉名(1993-)，男，江蘇徐州人，在讀碩士研究生，主要研究方向為巖層移動與綠色開采。

楊偉名，朱衛(wèi)兵，齊祥瑞.淺埋多次采動煤柱下雙巷變形特征研究[J].煤礦開采，2017，22(3)：45-48.

TD322.4

A

1006-6225(2017)03-0045-04