基于FLAC3D的 “三軟”煤層錯層位巷道布置開采數(shù)值模擬研究

宋 平，劉宏軍,，周 浩

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點實驗室，河北 唐山 063210；3.開灤精煤股份有限公司范各莊礦業(yè)分公司，河北 唐山 063009)

所謂“三軟”煤層是指“頂板軟、煤層軟、底板軟”，“三軟”煤層地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，賦存條件差，難以實現(xiàn)大規(guī)模機械化開采，采用傳統(tǒng)采煤法開采“三軟”煤層，巷道布置復(fù)雜，圍巖控制比較困難，煤炭回收率較低[1-2]。

為了求解決上述問題，研究出適合“三軟”煤層開采方法，為類似條件下煤層的安全開采積累了經(jīng)驗，達到對“三軟”煤層進行安全高效開采的目標。本文結(jié)合錯層位巷道布置采煤法巷道布置特點，提出了采用錯層位巷道綜放采煤法開采“三軟”煤層。

1 工作面概況

河南某礦31111工作面主采二1煤層，煤層厚度0.15～15.2 m，煤層厚度變化大，平均厚度7.3 m，煤層傾角平均14°，工作面走向長1 600 m，傾斜寬140 m。該工作面是典型“三軟”煤層工作面，工作面煤質(zhì)松軟，普氏系數(shù)0.2～0.5，煤層呈粉粒狀或鱗片狀，遇水后成煤泥；煤層直接頂和底板普遍為泥巖或砂質(zhì)泥巖，煤層頂?shù)装逶敿毲闆r見表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

對于該礦“三軟”煤層的開采，若采用傳統(tǒng)巷道布置采煤法，即在松軟煤層中開掘工作面進風(fēng)巷、回風(fēng)巷，巷道掘進和維護十分困難，成本較高，同時，布置接續(xù)工作面時，相鄰工作面之間需留設(shè)較寬的護巷煤柱，煤炭損失嚴重[3-4]。

2 “三軟”煤層錯層位巷道布置采煤法

錯層位巷道布置采煤法是由中國礦業(yè)大學(xué)(北京)趙景禮發(fā)明，并獲得了國家發(fā)明專利[5]。對于該礦“三軟”煤層的開采，可采用錯層位巷道布置采煤法，其巷道布置如圖1所示。

圖1 “三軟”煤層錯層位巷道布置圖

從圖1中可以看出，錯層位巷道布置采煤法通過采用靈活的巷道布置方式，選擇將巷道布置在較為堅硬頂板巖層中，取消了區(qū)段煤柱留設(shè)，避開了支承壓力峰值的影響，將接續(xù)工作面巷道布置在首采工作面采空區(qū)下方的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，從理論上對“三軟”煤層的開采較為有利[6-7]，但其應(yīng)用效果需進一步研究分析，為此下面采用FLAC3D數(shù)值模擬的方法進行具體研究分析。

3 FLAC3D數(shù)值模擬研究

3.1 模型建立

以河南某礦“三軟”煤層工作面實際地質(zhì)條件為背景，建立數(shù)值模擬模型[8]，模型模擬的煤層距地面約300 m，在不影響計算結(jié)果的前提下對模型進行簡化，簡化后的模型如圖2所示，煤巖層物理力學(xué)參數(shù)見表2。

圖2 數(shù)值模擬模型圖

3.2 模擬內(nèi)容

巷道基本支護采用具備高阻可縮特性的U型鋼支護，棚距500 mm，支架搭接長度為500 mm，并對巷道表面進行噴漿，噴層厚度為50±5 mm。

表2 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

本文通過采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，分別模擬采用傳統(tǒng)和錯層位巷道布置采煤法開采“三軟”煤層，并將兩種采煤法進行對比研究分析[9]，主要模擬內(nèi)容包括：①首采工作面巷道布置在不同層位上，在掘進和回采期間巷道圍巖的受力變形情況；②相鄰接續(xù)工作面巷道采用不同的布置位置和方式，其巷道圍巖的受力變形情況。

3.3 模擬結(jié)果分析

3.3.1 首采工作面巷道數(shù)值模擬分析

3.3.1.1 掘進期間

圖3 首采工作面巷道掘進圍巖應(yīng)力分布云圖

1) 應(yīng)力分布。針對該礦“三軟”煤層的開采，錯層位巷道布置采煤法將首采工作面回風(fēng)巷布置在較為堅硬的頂板巖層中，其巷道圍巖應(yīng)力分布如圖3所示。從圖3中可以看出，巷道掘進后巷道頂?shù)装逯胁康膽?yīng)力較小，其應(yīng)力集中系數(shù)k=0.34～0.38，在巷道兩側(cè)的煤巖層中出現(xiàn)支承應(yīng)力峰值。由于錯層位將回風(fēng)巷道沿頂板布置，其頂板巖層為砂質(zhì)泥巖，較煤層堅硬。從表3可看出相比沿煤層布置的巷道，錯層位巷道圍巖承受支承應(yīng)力的能力增強，錯層位巷道兩側(cè)煤巖層中支承應(yīng)力峰值較大、出現(xiàn)峰值點的位置離巷道較近，支承壓力的影響范圍較小。

2) 位移分布。在煤巖層中開掘巷道，巷道圍巖在支承應(yīng)力的影響下出現(xiàn)不同程度的變形，如圖4所示。巷道圍巖變形以頂板下沉和底鼓現(xiàn)象較為嚴重，具體巷道圍巖變形量見表4。與傳統(tǒng)巷道布置相比，錯層位沿頂板布置巷道除頂板下沉量較大外，底板和兩幫位移量均較小，尤其是底鼓量明顯減小，即巷道圍巖支護條件得到了改善，維護較為容易。

表3 巷道圍巖峰值應(yīng)力統(tǒng)計表

表4 巷道圍巖變形量表

圖4 首采工作面巷道掘進圍巖位移分布云圖

圖5 首采工作面回采期間實體煤一側(cè)應(yīng)力分布曲線

3.3.1.2 回采期間

1) 應(yīng)力分布。首采工作面回采，巷道一側(cè)實體煤上的支承壓力進行了重新分布，提取支承應(yīng)力數(shù)據(jù)，做出實體煤一側(cè)支承應(yīng)力分布曲線，如圖5所示。與傳統(tǒng)巷道布置采煤法相比，采用錯層位開采巷道實體煤一側(cè)支承應(yīng)力影響范圍較小，應(yīng)力峰值出現(xiàn)的位置離巷道較近，距離5～6 m，但應(yīng)力峰值較大，最大峰值應(yīng)力為34 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)k=2.43，根據(jù)實體煤一側(cè)支承應(yīng)力大小進行分區(qū)，如表5所示。從實體煤一側(cè)的支承應(yīng)力分區(qū)來看，錯層位和傳統(tǒng)巷道布置開采，煤體一側(cè)破裂區(qū)范圍相同，但錯層位開采塑性區(qū)和彈性區(qū)升高部分范圍較小。

2) 位移分布。提取回采期間，巷道圍巖變形數(shù)據(jù)，作出傳統(tǒng)開采和錯層位開采圍巖位移分布曲線，如圖6所示。由圖6可知，采用錯層位巷道布置巷道位移量為1 000 mm左右，較傳統(tǒng)開采位移量1 600 mm小，巷道圍巖維護較為容易。

3.3.2 接續(xù)工作面巷道掘進數(shù)值模擬分析

該礦“三軟”煤層若采用傳統(tǒng)開采方法，根據(jù)以往經(jīng)驗相鄰工作面之間需留設(shè)50 m護巷煤柱，而采用錯層位開采方法，可將接續(xù)工作面巷道布置在首采工作面采空區(qū)下方的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)。

1) 應(yīng)力分布。傳統(tǒng)開采接續(xù)工作面巷道圍巖最大應(yīng)力出現(xiàn)在巷道左幫，最大應(yīng)力為23 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)k=1.65，巷道頂?shù)装鍛?yīng)力均較小；而采用錯層位巷道布置，接續(xù)工作面巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)，應(yīng)力集中系數(shù)k=0.29～0.60，巷道圍巖應(yīng)力均小于原巖應(yīng)力，巷道掘進和維護較為容易，但錯層位接續(xù)工作面巷道頂板處于沿空狀態(tài)，支護時需要防止工作面漏矸及工作面漏風(fēng)。

2) 位移分布。從表6可以看出，傳統(tǒng)開采接續(xù)工作面巷道底板出現(xiàn)了明顯的底鼓現(xiàn)象，底鼓量為264 mm，巷道頂板下沉量也較大，下沉量158 mm；錯層位接續(xù)工作面巷道布置在首采工作面采空區(qū)下方，巷道掘進后變形量較小，接續(xù)工作面巷道最大變形出現(xiàn)在巷道右?guī)停畲笞冃瘟繛?21 mm。錯層位接續(xù)工作面巷道圍巖變形量較小，巷道維護較為容易，錯層位接續(xù)工作面巷道兩側(cè)變形量差異較大，應(yīng)加強對巷道右?guī)偷闹ёo。

圖6 首采工作面回采巷道圍巖位移分布曲線

頂板/MPa底板/MPa左幫/MPa右?guī)?MPa傳統(tǒng)開采12102318錯層位開采/458

表6 傳統(tǒng)和錯層位接續(xù)工作面巷道圍巖變形量

4 結(jié) 論

與傳統(tǒng)巷道布置采煤法相比，針對“三軟”煤層開采采用錯層位巷道布置采煤法，具有顯著優(yōu)勢。

1) 錯層位采煤法巷道布置位置和方式靈活，接續(xù)工作面巷道巧妙的避開了支承壓力峰值的影響，提高了煤炭回收率。

2) 錯層位將首采工作面巷道布置在較為堅硬的頂板巖層中，巷道圍巖巖性條件得到改善，巷道圍巖能夠承受較大的支承應(yīng)力峰值，巷道圍巖變形也

相對較小，巷道底鼓現(xiàn)象也得到了很大程度緩解。

3) 錯層位首采工作面回采期間，巷道圍巖和實體煤一側(cè)支承應(yīng)力影響范圍較小，從應(yīng)力實體煤一側(cè)應(yīng)力分區(qū)來看，塑性區(qū)和彈性區(qū)升高部分范圍變??；回采期間巷道圍巖位移變形小，巷道維護較為容易。

4) 錯層位接續(xù)工作面巷道由于布置在應(yīng)力降低區(qū)，巷道掘進較為容易，巷道變形量較小，但巷道兩側(cè)變形量差異較大，應(yīng)加強對巷道右?guī)偷闹ёo，同時由于巷道頂板處于沿空狀態(tài)，支護時要防止工作面漏矸和漏風(fēng)。

參考文獻

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