近距離煤層下覆回采巷道合理布置研究

曹攀攀

（中煤天津設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，天津 300120）

極近距離煤層是指煤層間距較小且開采過程中會產(chǎn)生相互影響的煤層。上煤層的底板即為下煤層的頂板[1]，當(dāng)上煤層回采完畢后殘留的煤柱受上覆載荷的影響形成應(yīng)力集中區(qū)，較大的集中應(yīng)力不僅會造成煤柱的破壞，還會影響下煤層工作面回采巷道的穩(wěn)定[2-4]，巷道圍巖變形破壞嚴(yán)重，支護(hù)難度較大，不利于煤礦安全生產(chǎn)。因此，開采近距離煤層，回采巷道合理布置已成為亟待解決的問題。本文利用FLAC3D數(shù)值模擬，對下煤層不同巷道錯(cuò)距時(shí)兩幫位移量、支承壓力進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，最終確定了合理的巷道布置位置。

1 工程概況

宏景塔二礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1.2 Mt/a，為低瓦斯礦井，地質(zhì)條件較為簡單。該礦現(xiàn)采6-2上煤、6-2兩層煤，煤層埋深較淺且距離較近，平均厚度分別為2.93 m 和1.47 m。根據(jù)鉆孔柱狀圖1 可知，6-2上煤層頂板主要成分為細(xì)粒砂巖，底板為砂質(zhì)泥巖；6-2 煤層底板主要為粉砂巖。兩煤層間距為7.07 m，屬于極近距離煤層。為了保障巷道支護(hù)可靠和施工安全，提高煤炭資源回收率，本次對該礦6-2上煤和6-2 煤工作面巷道布置進(jìn)行分析。

圖1 鉆孔柱狀示意圖

2 回采巷道內(nèi)錯(cuò)距理論計(jì)算

開采極近距離煤層時(shí)，上煤層開采殘留在煤柱上的集中應(yīng)力導(dǎo)致下煤層應(yīng)力重新進(jìn)行分布，其應(yīng)力分布曲線如圖2 所示。根據(jù)礦山壓力傳遞規(guī)律，上煤層區(qū)段煤柱形成的應(yīng)力集中對底板巖層具有一定傳遞范圍，且隨著兩煤層的間距增加呈現(xiàn)逐漸遞減趨勢，認(rèn)為0.1P 大小的應(yīng)力對巷道影響是可以忽略不計(jì)的，因此可以確定煤柱的應(yīng)力影響邊界在0.1P處[5]。根據(jù)宏景塔二礦地質(zhì)條件可知，當(dāng)開采6-2煤層時(shí)，取影響角θ=40°。確保6-2 煤層回采巷道布置時(shí)避開上煤柱應(yīng)力集中區(qū)域影響范圍，從而保障下煤層工作面安全作業(yè)。6-2 煤層工作面巷道內(nèi)錯(cuò)距離Ln為：

式中：Ln為6-2上煤層區(qū)段煤柱邊界與6-2 煤層工作面巷道垂直水平間距，m；φ 為集中應(yīng)力傳播影響角，取40°；h1為6-2上煤層與6-2 煤層之間巖層厚度，取7.07 m；h2為6-2 煤層厚度，取1.47 m。

代入公式（1）計(jì)算可得：Ln≥7.17 m，即6-2煤工作面巷道內(nèi)錯(cuò)距離至少為7.17 m 布置。

圖2 煤柱底板支承壓力等壓分布

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

為了研究6-2 煤工作面合理的巷道布置，運(yùn)用FlAC3D模擬軟件分別建立四組模擬方案（6-2上煤層煤柱寬度為5 m、10 m、15 m 和20 m）。為較真實(shí)地模擬出現(xiàn)場實(shí)際情況，對本次模型進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整。建立的幾何模型尺寸為300 m×250 m×120 m，埋藏深度為180 m，煤層平均厚度為2.9 m。模型單元總數(shù)為985 800，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為1 018 080。模型為理想彈塑性本構(gòu)模型，采用零位移約束條件，即模型在X、Y 軸以及Z 軸底部邊界方向施加位移約束（X=0，Y=0，X=300，Y=250，Z=0），模型頂部為自由邊界，通過施加垂直方向均布載荷模擬煤層上部巖層的自重應(yīng)力，剪切屈服遵從Mohr—Couclomb屈服準(zhǔn)則。

采用現(xiàn)場取樣并實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果，得到本次數(shù)值模擬中煤巖體物理力學(xué)參數(shù)。井下煤巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)表

3.2 模擬方案

根據(jù)煤層賦存情況，建立數(shù)值模擬方案如圖3所示。數(shù)值模擬步驟如下：（1）原巖應(yīng)力平衡的計(jì)算；（2）6-2上煤工作面回采；（3）模擬結(jié)果分析，6-2上煤合理煤柱寬度確定；（4）6-2 煤工作面巷道開挖；（5）分別對4 個(gè)寬度下煤柱在三個(gè)階段的屈服破壞情況和垂直應(yīng)力分布特征進(jìn)行模擬分析，確定合理的煤柱寬度，從而確定6-2 煤工作面巷道合理位置。

圖3 模擬方案示意圖

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

根據(jù)上述所建立的模型，僅改變不同區(qū)段煤柱寬度條件下，模擬煤柱寬度為5 m、10 m、15 m 和20 m 條件下，采空區(qū)對相鄰工作面巷道在圍巖應(yīng)力集中、頂板圍巖變形、塑性破壞區(qū)分布范圍的影響，如圖4、圖5 所示。

如圖4 所示，最大垂直集中應(yīng)力峰值位于煤柱采空區(qū)側(cè)煤幫約2～3 m 深處，且應(yīng)力峰值隨著煤柱寬度的增大，巷道實(shí)體煤側(cè)的應(yīng)力集中區(qū)域范圍逐漸縮小，應(yīng)力集中系數(shù)也隨之減小，而煤柱中間應(yīng)力集中區(qū)域范圍逐漸增大。調(diào)取支承壓力數(shù)據(jù)可知，煤柱寬度為5 m、10 m、15 m 和20 m 時(shí)，最大垂直應(yīng)力分別為：23.33 MPa、17.96 MPa、18.10 MPa和16.43 MPa，整體降低了30%。

圖4 6-2上煤不同煤柱條件下圍巖垂直應(yīng)力云圖

圖5 6-2上煤不同煤柱條件下圍巖塑性破壞區(qū)分布圖

如圖5 可知，受采空區(qū)集中應(yīng)力影響，塑性破壞范圍呈現(xiàn)“X”型分布。當(dāng)煤柱寬度為5 m 時(shí)，煤柱和相鄰工作面巷道煤柱側(cè)巷幫完全處于塑性破壞狀態(tài)；當(dāng)煤柱寬度增加到10 m 時(shí)，塑性區(qū)范圍降低，底板塑性破壞深度為3～4 m，巷幫塑性破壞深度為2 m；當(dāng)煤柱擴(kuò)大到15 m 時(shí)，巷道圍巖相對可控，底板塑性破壞區(qū)范圍變小，巷幫塑性破壞深度為1 m；當(dāng)煤柱寬度增大到20 m 時(shí)，巷道圍巖塑性破壞區(qū)范圍再次變小，圍巖頂?shù)装搴蛢蓭推茐姆秶刂圃? m 以內(nèi)，穩(wěn)定效果也越好，但與此同時(shí)造成煤炭損失較大，不符合礦山綠色開采要求。

綜上，煤柱寬度為15 m 時(shí)，采空區(qū)集中應(yīng)力對相鄰工作面巷道的影響大大降低，巷道采取有效支護(hù)措施后，可保障巷道安全穩(wěn)定，也有利于提高煤炭資源回收率。6-2上煤煤柱寬度為15 m 最為合理。

5 6-2 煤工作面巷道內(nèi)錯(cuò)距離的確定

在6-2上煤留設(shè)15 m 煤柱條件下，基本排除了外錯(cuò)布置的可能性。本次分別模擬了內(nèi)錯(cuò)距為5 m和10 m 的巷道布置方案。如圖6 所示為不同煤柱條件下圍巖垂直應(yīng)力云圖和塑性破壞區(qū)分布圖。

圖6 不同煤柱條件下圍巖垂直應(yīng)力及塑性破壞區(qū)分布圖

如圖6 所示，6-2 煤工作面巷道內(nèi)錯(cuò)距離為5 m和10 m 時(shí)，巷道均處于卸壓區(qū)，符合將巷道布置在低應(yīng)力區(qū)的要求。隨著6-2 煤回采，巷道相對6-2上煤工作面內(nèi)錯(cuò)距離增大，6-2 煤回采應(yīng)力值以及塑性破壞區(qū)都逐漸減小。當(dāng)6-2 煤工作面巷道內(nèi)錯(cuò)距離為5 m 時(shí)，巷道布置在煤柱集中應(yīng)力塑性區(qū)范圍內(nèi)，巷道支護(hù)困難，特別是工作面回采時(shí)受到動壓影響，煤柱集中應(yīng)力進(jìn)一步加大的同時(shí)，巷道受到超前支承壓力作用，巷道的支護(hù)穩(wěn)定進(jìn)一步受到威脅。當(dāng)6-2 煤工作面巷道內(nèi)錯(cuò)距離為10 m 時(shí)，由于巷道進(jìn)一步遠(yuǎn)離煤柱，巷道布置在煤柱塑性區(qū)范圍之外，煤柱塑性區(qū)對巷道圍巖支護(hù)的影響變小，巷道在加強(qiáng)煤柱側(cè)幫支護(hù)后，圍巖可得到較好控制。但內(nèi)錯(cuò)距越大，煤柱將越寬，煤炭損失隨之提升。

因此，從技術(shù)安全性方面考慮，巷道宜內(nèi)錯(cuò)10 m以上。

6 工業(yè)性試驗(yàn)

根據(jù)模擬研究結(jié)果在煤礦開展了工程試驗(yàn)，在6-2上煤工作面及6-2 煤工作面回采時(shí)對巷道進(jìn)行了監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖7 所示。

如圖7 圍巖變形可知，6-2 煤回采工作面不同布置方式巷道圍巖變形量也不一樣。當(dāng)兩煤層巷道垂直布置時(shí)，巷道圍巖變形量最大。隨著6-2 煤回采工作面內(nèi)錯(cuò)距離的增大，巷道圍巖控制效果也逐漸明顯。單從提高工作面回采率角度來看，6-2上煤留設(shè)煤柱為15 m，6-2 煤工作面巷道內(nèi)錯(cuò)5 m 時(shí)，內(nèi)錯(cuò)距離越小，煤炭資源損失量也越少。由于回采過程將受到二次動壓影響，6-2上煤柱集中應(yīng)力將再次對6-2 煤內(nèi)錯(cuò)巷道進(jìn)行影響，圍巖變形量較大，巷道維護(hù)成本較高。從保持6-2 煤巷道長期穩(wěn)定的角度來看，6-2上煤留設(shè)煤柱為15m，6-2 煤工作面巷道內(nèi)錯(cuò)10 m 時(shí)，整體圍巖變形量較均衡，與前述理論分析結(jié)果基本一致，此時(shí)巷道布置最為合理，工作面能安全高效的回采。

圖7 表面位移測點(diǎn)觀察結(jié)果

7 結(jié)論

（1）根據(jù)宏景塔煤礦現(xiàn)場實(shí)際地質(zhì)條件，6-2煤回采巷道應(yīng)采用內(nèi)錯(cuò)式布置方式。通過理論計(jì)算公式可得，6-2 煤回采巷道內(nèi)錯(cuò)距不小于7.17 m 時(shí)，巷道基本不在上部煤層遺留煤柱集中應(yīng)力影響范圍之內(nèi)，巷道布置最為合理。

（2）通過數(shù)值模擬結(jié)果，從采空區(qū)對相鄰工作面巷道在圍巖應(yīng)力集中、塑性破壞區(qū)分布影響規(guī)律角度可知，確定6-2上煤留設(shè)煤柱寬度應(yīng)為15 m。當(dāng)6-2上煤回采后，研究了內(nèi)錯(cuò)5 m 和內(nèi)錯(cuò)10 m 圍巖塑性破壞情況，為提高安全性、回采率與經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)減小煤炭損失，最終確定6-2 煤工作面巷道內(nèi)錯(cuò)10 m。結(jié)果表明，6-2 煤巷道圍巖變形量均在安全允許范圍內(nèi)，工作面能安全高效的回采。