金橋煤礦1308工作面順槽布置優(yōu)化

曲 柱，劉述勛，谷廷華

(濟寧市金橋煤礦，山東 濟寧 266500)

0 引言

工作面順槽位置的合理確定以及煤柱寬度的定量研究是眾多礦壓工作者一直關(guān)注的問題[1-3]。以金橋煤礦1308工作面順槽為例，采用理論分析確定順槽合理的布置方式，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立相關(guān)數(shù)值模型進行定量分析，探尋在巷道布置方案確定時，布置方式的優(yōu)選順序。

1 工程概況

1308工作面位于一采區(qū)北翼中部，開采水平為-430 m水平，開采煤層為山西組3#煤層，地面標(biāo)高為+36.3～+37.4 m，工作面標(biāo)高為-405～-430 m，埋深平均為454.4 m。煤層厚度為3.0～8.1 m，平均為6.5 m。工作面煤層整體賦存穩(wěn)定，根據(jù)煤層揭露情況分析，靠近切眼附近煤厚變化快，其余地段煤層賦存穩(wěn)定。工作面上部的1308上工作面開采3#煤上分層，平均采高2.12 m，已開采上分層區(qū)域剩余煤層厚度取4.38 m。考慮上分層開采影響，工作面整體平均可采煤厚取5.9 m。煤層走向南，傾向北，傾角3°～10°，平均6°。煤層硬度系數(shù)f=1～2，平均為1.5，屬中硬煤。煤層結(jié)構(gòu)簡單，層位穩(wěn)定，屬半暗型煤，煤體較破碎，塊狀構(gòu)造，裂隙發(fā)育。煤層發(fā)育夾矸1～2層，夾矸厚0.2～3.7 m。煤直接頂或偽頂巖性以砂巖為主，有時相變?yōu)樯百|(zhì)泥巖或泥巖。巖體中等完整-完整，屬于中等穩(wěn)定-穩(wěn)定頂板。根據(jù)頂板結(jié)構(gòu)及巖性判斷，1308綜放工作面直接頂為6.34 m的粗砂巖和3.52 m的細(xì)砂巖，老頂為4.14 m的粉砂巖和4.46 m的細(xì)砂巖與泥巖互層；直接底為9.01 m的粉砂巖，老底為13.7 m厚的細(xì)砂巖。

其順槽布置方案有以下3種方式：內(nèi)錯式—將巷道布置在上分層采空區(qū)內(nèi)，具有一定內(nèi)錯距離[4-6]，如圖1中位置2、2′所示；外錯式—將巷道布置在上分層工作面間煤柱下方，具有一定外錯距離：如圖1中位置3、3′所示；垂直式—將巷道布置在上分層回采巷道的正下方，該方式是將上下順槽布置在同一垂直方向上，上下回采工作面長度一樣。

1-垂直式；2/2′-內(nèi)錯式；3/3′-外錯式圖1 1308工作面順槽位置布置方案

2 數(shù)值模擬

2.1 建立模型

數(shù)值模擬采用FLAC3D有限元差分軟件，分別模擬不同工作面順槽位置布置方案下的應(yīng)力分布效果，并對相應(yīng)的位移進行分析，建立如圖2所示模型。

圖2 數(shù)值計算力學(xué)模型及網(wǎng)格劃分

根據(jù)地質(zhì)條件，建立三維模型，上層位條帶面采寬50 m，相鄰工作面間煤柱寬度80 m，設(shè)計模型為280 m×150 m×112 m(長×寬×高)，共劃分成341 000個單元，358 680個節(jié)點。考慮邊界效應(yīng)，模型上下各取36 m邊界，左右各取30 m的邊界。模型上邊界為應(yīng)力邊界，底部邊界為固定位移邊界。模擬采用莫爾-庫倫破壞準(zhǔn)則和大變形模式。

2.2 位移應(yīng)力結(jié)果分析

內(nèi)錯式布置：①垂直應(yīng)力分析—圖3為不同內(nèi)錯距離巷道應(yīng)力變化曲線，對不同間距順槽的內(nèi)錯式布置進行了數(shù)值模擬，得出當(dāng)順槽之間的垂直距離小于5 m時，下部煤柱剛好處于應(yīng)力集中區(qū)，導(dǎo)致下部圍巖垂直應(yīng)力變大，順槽兩側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中。當(dāng)上下工作面順槽之間的距離大于8 m時，工作面順槽此時剛好處于上工作面采空區(qū)下方，圍巖垂直應(yīng)力降低。順槽位置越靠近煤柱實體，工作面上方垂直應(yīng)力越大，最高可達(dá)6.5 MPa；②水平應(yīng)力分析—對不同內(nèi)錯距下工作面順槽的圍巖水平應(yīng)力進行分析，根據(jù)模擬結(jié)果得知，水平應(yīng)力差異性隨著內(nèi)錯距變小而變大。當(dāng)順槽之間的水平距離小于8 m時，工作面順槽上部巖層總會存在水平集中應(yīng)力區(qū)。當(dāng)順槽之間的水平距離小于8 m時，工作面順槽上部巖層水平集中應(yīng)力逐漸降低；③位移分析—上下煤層工作面順槽之間距離在3～8 m之間時，工作面頂板下沉變化率較快，內(nèi)錯距為3 m時，工作面順槽頂板下沉量為70 mm，兩幫移近量變化率較快，先減小后增大，內(nèi)錯距為7 m時，工作面順槽頂板下沉量為45 mm，兩幫移近量變化率較小。當(dāng)上下煤層工作面順槽之間距離大于8 m時，工作面頂板下沉變化率趨近于零，巷道兩幫變形幾乎相同，兩幫移近量變得很小。

由以上分析可知，對于厚煤層分層開采下層位巷道采用內(nèi)錯式布置時，宜采用內(nèi)錯距離為8 m。此時巷道圍巖的應(yīng)力和位移量相對較小，且受應(yīng)力不均勻程度影響不大，還可減小為留設(shè)護巷煤柱而損失的煤炭量。

a-頂板處垂直應(yīng)力；b-兩幫水平應(yīng)力 圖3 不同內(nèi)錯距離巷道應(yīng)力變化曲線

外錯式布置：①垂直應(yīng)力分析—對不同間距順槽的內(nèi)錯式布置進行了數(shù)值模擬，得出當(dāng)順槽之間的垂直距離小于1 m時，下部煤柱處于應(yīng)力集中區(qū)，并延伸到上部煤柱的彈性芯中，從而保持護巷煤柱，導(dǎo)致下部圍巖垂直應(yīng)力變大，順槽兩側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中，當(dāng)外錯距為1 m時，豎向應(yīng)力較大達(dá)到7.96 MPa，當(dāng)外錯距為5 m時，豎向應(yīng)力達(dá)到9.3 MPa；②水平應(yīng)力分析—對不同內(nèi)錯距下工作面順槽的圍巖水平應(yīng)力進行分析，根據(jù)模擬結(jié)果得知，水平應(yīng)力差異性隨著內(nèi)錯距變小而變大，當(dāng)順槽之間的外錯距離為1～2 m時，回采巷道護巷煤柱邊緣以及下層位巷道之間所留煤柱上，在外錯距為1～2 m之間有一個最大水平應(yīng)力極值點；在外錯距為3～4 m之間有一最小水平應(yīng)力極值點，右?guī)退綉?yīng)力呈先緩慢減小后快速增大的變化過程；在外錯距為3～4 m之間有一最小水平應(yīng)力極值點；③位移分析—當(dāng)巷外斷層位于1～3.5 m之間時，頂板沉降量最低時逐漸減小到13 mm；當(dāng)外部誤差距離大于3.5 m時，頂板沉降量逐漸增大，達(dá)到36 mm。當(dāng)外部誤差距離小且較大時，垂直應(yīng)力受影響較大。當(dāng)外滑距較小時，外滑巷道靠近保護煤柱的上緣，應(yīng)力相對集中。當(dāng)外部誤差距離較大時，不均勻應(yīng)力的影響相對較大，導(dǎo)致豎向應(yīng)力再次集中于頂板，導(dǎo)致頂板沉降增大。當(dāng)外誤差距離為1 m和5 m時，兩側(cè)運動較大。當(dāng)外誤差距離為3 m和4 m時，兩側(cè)之間的距離相對較小?？拷褐吘壱约笆懿痪鶆驊?yīng)力程度影響的位置是巷道兩側(cè)的閉合量較大的地方。在外錯巷布置時，應(yīng)避免煤柱邊緣應(yīng)力集中區(qū)和應(yīng)力不均勻程度大的區(qū)域。當(dāng)外部誤差距離小且應(yīng)力大時，巷道應(yīng)力不均勻性較大，對巷道圍巖影響嚴(yán)重，導(dǎo)致巷道兩側(cè)變形差異較大。當(dāng)外誤差距離達(dá)到3～4 m時，應(yīng)力不均勻性減小。此時，巷道兩側(cè)的變形量相差不大，變形量較小，便于巷道掘進和維護。

2.3 內(nèi)、外錯巷道圍巖位移比較分析

外錯式布置時，頂板下沉量隨著外錯距的增大先減小后增大；外錯距在3 m時，頂板下沉量達(dá)到最小值16 mm。內(nèi)錯式布置時，頂板下沉量隨著內(nèi)錯距離的增大而減小，而當(dāng)內(nèi)錯距大于7 m時，頂板下沉量隨著內(nèi)錯距的增加減小速度降低，在內(nèi)錯距為9 m時，頂板下沉量最低為21 mm；在內(nèi)錯距為11 m時，頂板下沉量最低為11 mm。

由以上分析可知，無論下層位巷道是內(nèi)錯式布置還是外錯式布置，最小頂板下沉量幾乎相等。即在只考慮巷道頂板下沉量時，內(nèi)錯式布置可將內(nèi)錯距設(shè)計為8 m，外錯布置時可將外錯距設(shè)計為3～4 m。

3 結(jié)論

(1)在下層位巷道布置方案確定時，布置方式優(yōu)選順序為：內(nèi)錯式→外錯式；盡量避免采用垂直式布置。涉及到具體煤層賦存條件及已有開拓開采狀況，應(yīng)結(jié)合具體條件進行綜合分析確定。

(2)為便于順槽處于垂直應(yīng)力相對較低、水平應(yīng)力不均勻程度較小的地方，根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果，具體外錯距以大于8 m為宜。結(jié)合兩側(cè)大煤柱具體尺寸(75 m、80 m)及便于順槽與西翼大巷的聯(lián)系，經(jīng)綜合分析，將1308工作面兩順槽分別布置在兩大條帶煤柱的中央底部，面長118 m。這種布置方式具有順槽易于采用錨網(wǎng)索主動支護方式，支護效果易于保證、掘進效率高、勞動強度低、安全有保障，因而這一外錯式布置方式可作為1308工作面順槽布置優(yōu)選方案。