采空區(qū)下近距離煤層回采巷道合理位置選擇

王恩博

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán)，山西 大同 037000)

近距離煤層在我國(guó)各大礦區(qū)均有賦存，由于兩煤層之間距離較小，煤層回采過(guò)程中互相影響，極大地威脅了礦井安全開采[1-2]。當(dāng)上煤層回采完畢，留在采空區(qū)的集中煤柱，受到覆巖載荷的作用，形成的集中應(yīng)力向煤層深處傳遞，當(dāng)應(yīng)力傳遞范圍超過(guò)兩煤層間距時(shí)，會(huì)對(duì)下煤層工作面開采及巷道布置產(chǎn)生極大的影響[3-4]。下煤層回采巷道如何布置是困擾現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員的難題。文章利用數(shù)值模擬的方法，對(duì)下煤層回采巷道不同錯(cuò)距時(shí)，圍巖應(yīng)力分布、塑性破壞、變形等情況進(jìn)行分析，最終確定合理的布置位置。

1 工程概況

某礦主采8號(hào)和9號(hào)煤，兩煤層間距8.2 m，屬于近距離煤層。其中8號(hào)煤平均厚度4.2 m，平均傾角4°，直接頂為泥巖，平均厚度3.5 m，基本頂為砂巖、粉砂巖，平均厚度為8.2 m，8號(hào)煤層均采用一次采全高綜合機(jī)械化采煤工藝，目前已經(jīng)全部開采完畢，遺留煤柱寬度25 m。9號(hào)煤厚度2.5 m，平均傾角5°，頂板為炭質(zhì)泥巖和泥巖互層，厚度8.2 m。9號(hào)煤層回采巷道尺寸為3.6 m×2.5 m，9號(hào)煤層回采巷道的布置為近距離煤層開采過(guò)程中主要的難題之一，巷道布置如圖1所示。

圖1 巷道布置示意

2 近距離煤層回采巷道錯(cuò)距理論計(jì)算

近距離煤層回采過(guò)程中，上煤層開采遺留在采空區(qū)中的集中煤柱，受到上覆巖層的作用將形成應(yīng)力集中，集中的應(yīng)力向下傳遞，下煤層中的應(yīng)力將重新分布，分布曲線如圖2所示[5]。距煤柱不同距離時(shí)，應(yīng)力值也不同，隨著距煤柱距離的增加，應(yīng)力也在逐漸減小。礦壓相關(guān)理論認(rèn)為[6]，0.1p的應(yīng)力對(duì)于回采巷道的影響極小，因此近距離下煤層巷道應(yīng)當(dāng)布置在以0.1p為邊界以外的地方。

圖2 煤柱應(yīng)力在底板中分布規(guī)律

結(jié)合礦井實(shí)際開采技術(shù)條件，9號(hào)煤回采與8號(hào)煤遺留煤柱之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 煤柱支承壓力對(duì)9號(hào)煤巷道影響示意

在9號(hào)煤層開采時(shí)，為了避免8號(hào)煤遺留煤柱對(duì)其回采巷道產(chǎn)生影響，9號(hào)煤回采巷道必須布置在影響線外的煤層中，其中根據(jù)兩煤層層間巖層特性及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)煤柱集中應(yīng)力傳播角α取46°，則巷道內(nèi)錯(cuò)距離L應(yīng)該滿足以下公式：

L≥(h1+h2)tanα

式中：h1為兩煤層之間層間距，取8.2 m；h2為9號(hào)煤層厚度，取2.5 m；α為煤柱集中應(yīng)力傳播角，取46°。

因此，根據(jù)上式計(jì)算得到9號(hào)煤回采時(shí)，回采巷道應(yīng)該內(nèi)錯(cuò)8號(hào)煤層遺留煤柱11.1 m以上進(jìn)行布置。

3 數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型的建立

采用FLAC數(shù)值模擬軟件研究9號(hào)煤層回采巷道合理位置的選擇，分別建立錯(cuò)距L為5 m、10 m、15 m、20 m四個(gè)模型分析回采巷道圍巖塑性破壞、應(yīng)力分布等情況，最終確定合理的錯(cuò)距。數(shù)值模型尺寸=長(zhǎng)(180 m)×寬(280 m)×高(80 m)，模型的4個(gè)側(cè)面為位移邊界，限制水平移動(dòng)；底部為固定邊界，限制水平移動(dòng)和垂直移動(dòng)。模型劃分8 568個(gè)單元，11 856個(gè)節(jié)點(diǎn)。數(shù)值模型模擬所用煤巖物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)

3.2 模擬過(guò)程

建好模型后，計(jì)算初始應(yīng)力場(chǎng)至平衡，先開挖8101工作面，計(jì)算至平衡后，再開挖8102工作面，計(jì)算至平衡并讀取相應(yīng)圍巖變形量作為初始值。然后模擬9101工作面推進(jìn)，同時(shí)分析工作面推進(jìn)過(guò)程中不同錯(cuò)距下，9101主運(yùn)巷圍巖應(yīng)力、移近量以及屈服破壞特征。每次開挖后，計(jì)算至平衡，再進(jìn)行下一次開挖。在整個(gè)模擬運(yùn)算過(guò)程中，始終監(jiān)測(cè)9101主運(yùn)巷變形情況，記錄并存儲(chǔ)每一步運(yùn)算結(jié)果。

3.3 模擬結(jié)果分析

3.3.1 巷道圍巖屈服破壞特征

不同錯(cuò)距下巷道圍巖屈服破壞特征分布情況，如圖4所示。

圖4 不同錯(cuò)距下巷道圍巖屈服破壞特征

由圖4可知，隨著9號(hào)煤回采巷道距離上覆遺留煤柱距離的逐漸減小，巷道屈服破壞面積也逐漸增加，尤其巷道兩幫屈服破壞尤為嚴(yán)重。20 m錯(cuò)距情況下，巷道頂板最大破壞深度為0.5 m，兩幫最大破壞深度為1 m；15 m錯(cuò)距情況下，巷道頂板最大破壞深度為0.5 m，兩幫最大破壞深度為1.5 m，位于巷道右下角；10 m錯(cuò)距情況下，巷道頂板最大破壞深度為0.5 m，兩幫破壞顯著加劇，最大破壞深度為1.5 m且破壞面積增加；5 m錯(cuò)距情況下，巷道頂板最大破壞深度為0.5 m，兩幫最大破壞深度增加至2 m；由此可以看出，9號(hào)煤合理的回采巷道位置應(yīng)大于15 m。

3.3.2 巷道圍巖應(yīng)力分布特征

不同錯(cuò)距下巷道圍巖垂直應(yīng)力分布特征，如圖5所示。

圖5 不同錯(cuò)距下巷道圍巖垂直應(yīng)力分布特征

從圖5可以看出，在巷道兩幫形成垂直應(yīng)力升高區(qū)，對(duì)稱分布，隨錯(cuò)距的減小，巷幫垂直應(yīng)力峰值升高，并向巷幫深部轉(zhuǎn)移，在巷幫淺部形成應(yīng)力降低區(qū)；巷道兩幫垂直應(yīng)力分布由對(duì)稱狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉菍?duì)稱態(tài)或偏載狀態(tài)，當(dāng)錯(cuò)距小于15 m后，巷道兩幫受力偏載狀態(tài)更加明顯，尤其錯(cuò)距縮小到5 m時(shí)，巷道左幫最大應(yīng)力為8 MPa，而右?guī)妥畲髴?yīng)力為12.8 MPa，兩幫受力強(qiáng)度差距大，這樣的應(yīng)力分布特征會(huì)直接導(dǎo)致巷道圍巖失穩(wěn)變形。

3.3.3 巷道圍巖變形特征

圖6為不同錯(cuò)距下，巷道圍巖移近量變化特征。

圖6 不同錯(cuò)距下巷道圍巖移近量變化特征

由圖6可以看出，隨著巷道錯(cuò)距不斷增加，巷道頂?shù)装?、兩幫變形都在逐漸降低。當(dāng)錯(cuò)距15 m時(shí)，巷道頂?shù)装逡平繛?2 mm，兩幫移近量為34.7 mm，當(dāng)錯(cuò)距20 m時(shí)，巷道頂?shù)装逡平繛?8.8 mm，兩幫移近量為30.8 m?？梢婂e(cuò)距增加到15 m后，巷道圍巖變形量逐漸趨于穩(wěn)定，在繼續(xù)增加巷道錯(cuò)距，對(duì)于圍巖變形影響較小。

結(jié)合理論分析及數(shù)值模擬結(jié)果，9號(hào)工作面回采巷道內(nèi)錯(cuò)上覆遺留煤柱15 m情況下，可以保證巷道圍巖穩(wěn)定性。

4 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合礦井8號(hào)和9號(hào)近距離煤層賦存條件分析，利用理論分析和數(shù)值模擬分析得到以下結(jié)論：

1) 為了避免8號(hào)煤遺留煤柱對(duì)其回采巷道產(chǎn)生影響，應(yīng)將巷道與煤柱內(nèi)錯(cuò)布置，內(nèi)錯(cuò)距離經(jīng)過(guò)計(jì)算應(yīng)該大于12.8 m。

2) 隨著9號(hào)煤回采巷道錯(cuò)距減小，巷道屈服破壞面積也逐漸增加，尤其巷道兩幫屈服破壞尤為嚴(yán)重。巷道兩幫應(yīng)力分布由對(duì)稱向不對(duì)稱甚至偏載方向轉(zhuǎn)變，不對(duì)稱的應(yīng)力分布會(huì)直接造成巷道穩(wěn)定性變差。

3) 隨著9號(hào)煤回采巷道錯(cuò)距增大，巷道圍巖變形逐漸降低。綜合以上研究結(jié)果，9號(hào)工作面回采巷道內(nèi)錯(cuò)上覆遺留煤柱15 m情況下，可以保證巷道圍巖穩(wěn)定性。