近距離煤層下層煤回采巷道位置優(yōu)化設計

王清亮

(山西汾西礦業(yè)(集團)有限責任公司,山西 介休 032000)

為了確定近距離煤層下層煤開采巷道合理布置位置，在確定巷道采用內(nèi)錯式布置形式情況下結合FLAC3D數(shù)值軟件，建立了重疊、內(nèi)錯6 m、8 m、10 m巷道布置模型，通過圍巖變形量等參數(shù)分析，確定內(nèi)錯8 m較為適宜；建立了寬度沿空3 m、4 m、5 m、6 m煤柱計算模型。分析可知，沿空掘巷煤柱寬度為4 m。

近距離煤層；沿空巷道；內(nèi)錯距；煤柱寬度

1 工程概況

礦井3下412工作面運順順槽為沿空巷道，與3下408工作面相鄰。3下408工作面位于東股閘下引河南，小卜灣村南1 065 m～1 798 m范圍內(nèi)，工作面上方為昭陽湖區(qū)。井下位置位于東四采區(qū)東南部。

3下煤層為井田主要可采煤層，下距太原組12下煤平均96.5 m，下距三灰平均45 m，與3上煤層相距10.2 m。頂板巖性以中細粒砂巖、砂質(zhì)泥巖為主，底板巖性主要為粉砂巖、細砂巖等。煤層厚度0 m～6.25 m，平均3.8 m。除井田北部邊緣第5勘探線有一狹長條帶，因受河床相砂巖同期沖刷形成無煤帶之外，其余大面積穩(wěn)定可采，厚度變化幅度較小，一般在4 m左右，屬穩(wěn)定至較穩(wěn)定煤層，煤層結構較復雜，夾矸一般只有一層，且位于煤層下部，厚度多小于0.6 m，最大厚度1.74 m。巖性以黏土巖、粉砂巖為主。3下煤層頂?shù)装鍘r性特征見表1。

2 最小內(nèi)錯距離的選擇

2.1 數(shù)值模型的建立

由于3上煤層遺留煤柱寬度較小，故不適合采用外錯式布置，只建立重疊式及內(nèi)錯式巷道布置模型。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

1) 重疊式布置。3下412工作面運輸巷道布置在3上412工作面運輸巷道正下方。

2) 內(nèi)錯式布置。3下煤層412工作面運輸巷布置在3上412運輸巷道與3上408工作面回風巷道之間煤柱一側(cè)，分別模擬內(nèi)錯距離為6 m、8 m、10 m幾種情況。

2.2 數(shù)值模擬結果及分析

1) 塑性破壞特征分析

巷道圍巖的塑性破壞如第109頁圖1所示。

由圖1可以看出，隨著巷道與煤柱水平距離的不斷增大，巷道圍巖塑性破壞區(qū)逐漸減小，塑性破壞區(qū)主要集中在巷道頂板及靠近煤柱側(cè)巷幫。當內(nèi)錯距離小于6 m時，上下煤層塑性區(qū)貫通。當內(nèi)錯距離大于8 m時，塑性區(qū)面積基本上保持不變。

圖1 不同布置方式下巷道塑性破壞區(qū)分布

2) 巷道變形量分析

巷道掘進期間，不同布置方式下巷道變形量統(tǒng)計如表2所示。

表2 巷道掘進期間不同布置方式巷道變形量

如表2所示，當3下412工作面運輸巷采用重疊布置時，巷道掘進期間頂板下沉量為60.0 mm，底鼓量為27.0 mm，靠近上煤層煤柱側(cè)巷幫變形量為66.7 mm，遠離上煤層煤柱側(cè)巷幫變形量為28.1 mm。

當3下412工作面運輸巷采用內(nèi)錯布置，內(nèi)錯距離為6 m時，巷道掘進期間頂板下沉量為47.6 mm，底鼓量為23.1 mm，靠近上煤層煤柱側(cè)巷幫變形量為56.2 mm，遠離上煤層煤柱側(cè)巷幫變形量為24.9 mm。

當3下412工作面運輸巷采用內(nèi)錯布置，內(nèi)錯距離為8 m時，巷道掘進期間頂板下沉量為44.8 mm，底鼓量為22.1 mm，靠近上煤層煤柱側(cè)巷幫變形量為52.5 mm，遠離上煤層煤柱側(cè)巷幫變形量為22.6 mm。

當3下412工作面運輸巷采用內(nèi)錯布置，內(nèi)錯距離為10 m時，巷道掘進期間頂板下沉量為43.0 mm，底鼓量為21.2 mm，靠近上煤層煤柱側(cè)巷幫變形量為49.7 mm，遠離上煤層煤柱側(cè)巷幫變形量為21.1 mm。

巷道兩幫圍巖變形量較大且不對稱，靠近上煤層煤柱側(cè)巷幫變形量大于遠離上煤層煤柱側(cè)巷幫變形量。隨著下煤層回采巷道與上煤層遺留煤柱水平距離的不斷增大，巷道位移量逐漸減小，當內(nèi)錯距離大于8 m時，巷道表面位移變化趨勢趨于平緩，巷道變形量受煤柱寬度的影響減小。

2.3 巷道布置方式的確定

由于3上煤層遺留煤柱寬度較小，不適合采用外錯式布置，當采用重疊式布置時，巷道圍巖應力集中程度較大，巷道變形很大，不利于巷道的支護，故采用內(nèi)錯式巷道布置，內(nèi)錯距離至少為8 m。

3 下層煤沿空留巷煤柱寬度的選擇

擬采用平移式布置3下工作面回采巷道，將3上煤層煤柱集中壓力增高區(qū)布置在下煤層工作面內(nèi)，因3下煤層埋藏較淺，工作面支架完全可以滿足支護要求。綜合考慮3下工作面尺寸及最小內(nèi)錯距離要求，3下408工作面回風巷布置在距離煤柱47 m處，3下412工作面運輸巷采用小煤柱沿空掘巷[1-2]，如圖2所示。

圖2 平面布置示意圖

3.1 數(shù)值模型的建立

本次模擬的模型上煤層遺留煤柱寬度為6 m，且3下408工作面距上煤層遺留煤柱邊緣水平距離為47 m。根據(jù)沿空煤柱寬度的不同，建立了3 m、4 m、5 m、6 m煤柱寬度4個計算模型。模擬不同沿空煤柱寬度下，3下408工作面與3下412工作面運輸順槽相向采掘過程中，巷道的圍巖應力分布及巷道變形情況。

3.2 數(shù)值模擬結果及分析

3.2.1 圍巖應力分布規(guī)律

1) 第110頁圖3為工作面采過30 m后巷道圍巖垂直應力分布，圖3可看出，由于采空區(qū)的影響，沿空巷道兩側(cè)出現(xiàn)了應力集中現(xiàn)象，而且巷道頂?shù)装宄霈F(xiàn)了圓弧狀卸壓區(qū)域[3]。

當煤柱寬度為3 m時，實體煤側(cè)應力集中程度高于沿空側(cè)，實體煤側(cè)最大垂直應力為22.2 MPa，沿空煤柱側(cè)最大垂直應力為7.5 MPa。

當煤柱寬度為4 m時，實體煤側(cè)應力集中程度高于沿空側(cè)，實體煤側(cè)最大垂直應力為13.5 MPa，沿空煤柱側(cè)最大垂直應力為12.0 MPa。

當煤柱寬度為5 m時，沿空側(cè)應力集中程度高于實體煤側(cè)，實體煤側(cè)最大垂直應力為14.0 MPa，沿空煤柱側(cè)最大垂直應力為15.5 MPa。

當煤柱寬度為6 m時，實體煤側(cè)應力集中程度高于沿空側(cè)，實體煤側(cè)最大垂直應力為17.5 MPa，沿空煤柱側(cè)最大垂直應力為23.1 MPa。

隨著煤柱寬度的增加，實體煤側(cè)應力集中程度逐漸減小，而沿空煤柱側(cè)應力集中程度逐漸增大，當煤柱寬度為4 m時，煤柱所承受的支撐壓力最小。

2) 圖4為工作面采過30 m后巷道圍巖水平應力分布，由圖4可看出，當煤柱寬度為3 m時，沿煤柱寬度方向煤柱所受最大水平應力為2.5 MPa；當煤柱寬度為4 m時，沿煤柱寬度方向煤柱所受最大水平應力為2.0 MPa；當煤柱寬度為5 m時，沿煤柱寬度方向煤柱所受最大水平應力為4.0 MPa；當煤柱寬度為6 m時，沿煤柱寬度方向煤柱所受最大水平應力為5.5 MPa。煤柱所受水平應力均為負值，說明煤柱承受的水平應力為壓應力，沒有產(chǎn)生拉裂破壞，可作為載體承受較大的載荷。

3) 由圖5可知，巷道對角形成剪應力集中帶，在另一對角形成卸壓帶，圍巖剪應力等值曲線大致以巷道為中心點呈中心對稱，而且煤柱寬度越大，這種對稱現(xiàn)象越明顯。煤柱側(cè)底部形成支承壓力的集中區(qū)域，隨著煤柱寬度的增大，高剪應力影響范圍隨著煤柱寬度的增加逐漸增大。

圖3 垂直應力分布

圖4 水平應力分布

圖5 剪應力分布

4) 由圖第111頁6可知，不同沿空煤柱寬度情況，巷道圍巖出現(xiàn)不同程度的圍巖塑性破壞，沿空煤柱均完全處于塑性狀態(tài)，且為剪應力破壞。隨著沿空煤柱寬度的增加，塑性破壞面積呈減小趨勢，當煤柱寬度大于4 m時，塑性破壞情況得到明顯改善。

3.2.2 巷道變形規(guī)律

3下408工作面與3下412工作面運輸順槽相向采掘過程中，巷道變形量隨采掘過程變化趨勢如圖7～圖9所示[4-5]。

當工作面采過監(jiān)測截面30 m，沿空煤柱為3 m時，巷道頂板下沉量為0.2 m，沿空側(cè)巷幫變形量為0.30 m，實體側(cè)巷幫變形量為0.04 m；沿空煤柱為4 m時，巷道頂板下沉量為0.18 m，沿空側(cè)巷幫變形量為0.22 m，實體側(cè)巷幫變形量為0.03 m；沿空煤柱為5 m時，巷道頂板下沉量為0.16 m，沿空側(cè)當工作面未采過監(jiān)測面時，巷道變形量較小，巷幫變形量為0.24 m，實體側(cè)巷幫變形量為0.02 m；沿空煤柱為6 m時，巷道頂板下沉量為0.12 m，沿空側(cè)巷幫變形量為0.21 m，實體側(cè)巷幫變形量為0.01 m。

圖6 不同沿空煤柱寬度下巷道塑性破壞區(qū)分布

圖7 巷道頂板下沉量變化曲線

圖8 沿空側(cè)巷幫變形量變化曲線

圖9 實體側(cè)巷幫變形量變化曲線

當工作面采過監(jiān)測面，巷道變形量與工作面的距離呈線性增長，且煤柱寬度越小，增長速度越快。在距工作面相同距離的條件下，巷道變形量隨著沿空煤柱寬度的增大而減小。

由圖9與圖10對比可知，兩幫位移分布規(guī)律不同，沿空側(cè)巷幫變形量遠大于實體側(cè)巷幫變形量，是巷道表面位移的主要組成部分。

當煤柱寬度大于4 m時，巷道變形量隨煤柱寬度變化的趨勢減小，從節(jié)約資源提高煤炭回采率的角度考慮，沿空煤柱寬度取4 m。

3.3 沿空煤柱寬度的確定

綜合以上分析，3下煤層采用內(nèi)錯式沿空掘巷方式布置回采巷道，回采巷道與3上煤層遺留煤柱最小內(nèi)錯距離為8 m，與相鄰工作面回采巷道留設4 m保護煤柱。

4 結論

本章利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對不同內(nèi)錯距離及不同沿空煤柱寬度下巷道圍巖應力變形情況進行數(shù)值模擬計算，得到不同條件下應力、塑性區(qū)及位移分布規(guī)律。

1) 建立了重疊式、內(nèi)錯式(內(nèi)錯4 m、6 m、8 m、10 m、12 m)巷道布置模型，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對不同布置方式的模型進行數(shù)值模擬計算，得出在下煤層回采巷道掘進期間不同布置方式下的應力、塑性區(qū)及位移分布規(guī)律，分析得出3下煤層巷道需采用內(nèi)錯式布置方法，且最小內(nèi)錯距離為8 m。

2) 建立了不同寬度沿空煤柱計算模型(3 m、4 m、

5 m、6 m)，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟對不同的模型進行數(shù)值模擬計算，得出在3下408工作面和3下412工作面運輸順槽采掘期間不同布置方式下的應力、塑性區(qū)及位移分布規(guī)律，分析得出3下煤層回采巷道沿空掘巷煤柱寬度為4 m。

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