近距離煤層開(kāi)采合理巷道布置方法研究

趙宇德

(國(guó)家能源集團(tuán)烏海能源有限責(zé)任公司 平溝煤礦，內(nèi)蒙古 烏海 016000)

煤炭資源在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占有主導(dǎo)地位，有效保證了我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展[1-2]。然而隨著煤炭產(chǎn)能的不斷提高，也帶來(lái)一些問(wèn)題，對(duì)于煤礦的安全高效生產(chǎn)造成了不利影響，特別對(duì)于近距離煤層開(kāi)采，巷道形成后頂板不穩(wěn)定、底板底鼓現(xiàn)象嚴(yán)重、極易片幫及維修困難等問(wèn)題[3-5]，為此需要深入研究近距離煤層安全開(kāi)采方法，消除隱患。在這方面研究中，王恩博[6]通過(guò)分析上煤層遺留煤柱在煤層底板中的應(yīng)力傳播規(guī)律并計(jì)算出巷道與煤柱的內(nèi)錯(cuò)距離應(yīng)該大于12.8 m；趙洪寶等[7]研究了巷道在受到工作面回采與煤柱應(yīng)力集中情況下產(chǎn)生非對(duì)稱(chēng)性破壞的機(jī)理與演化規(guī)律；周波等[8]指出在進(jìn)行近距離采空區(qū)下煤層開(kāi)采時(shí)必須采取加強(qiáng)下伏煤層開(kāi)采超前支護(hù)，以保證近距離采空區(qū)下煤層開(kāi)采頂板的有效管理和安全回采；崔世榮采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)單側(cè)和雙側(cè)采空區(qū)遺留煤柱底板應(yīng)力分布特征進(jìn)行分析，提出采用“錨桿+工字鋼+單體柱”的聯(lián)合支護(hù)方案[9]。本文以某煤礦近距離煤層開(kāi)采為研究對(duì)象，采用理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，深入研究了合理巷道布置方法，為近距離煤層的安全高效開(kāi)采提供了技術(shù)保障。

1 工程概況

平構(gòu)煤礦采用斜井提升方式，走向長(zhǎng)壁后退式采煤方法，全部垮落法式頂板管理，可采煤層主要為9號(hào)煤與10號(hào)煤，煤層平均厚度5 m，傾角3°。9號(hào)煤層掘進(jìn)巷道的支護(hù)方式為錨網(wǎng)索支護(hù)，頂板巖性為泥巖及砂質(zhì)泥巖，10號(hào)煤層掘進(jìn)巷道的支護(hù)方式為金屬棚支護(hù)，頂板巖性為泥巖及砂質(zhì)泥巖，巷道形成后頂板不穩(wěn)定、底板底鼓現(xiàn)象嚴(yán)重、極易片幫、維修困難頻度高。工作面的布置方式為走向長(zhǎng)臂后退式，工作面寬228～271 m，平均寬250 m，開(kāi)采方式為綜采，工作面開(kāi)采后頂板和老頂全部垮落，地表有明顯裂縫，地表沉降不明顯。煤層頂?shù)装迩闆r見(jiàn)表1。

表1 采煤層頂?shù)装迩闆r

對(duì)于近距離煤層開(kāi)采，上層煤柱受到巖層載荷集中應(yīng)力作用，導(dǎo)致底部煤層中的回采巷道在采動(dòng)壓力作用下發(fā)生變形甚至破壞，增加維護(hù)成本。因此，需要深入研究近距離煤層開(kāi)采合理巷道位置及煤柱寬度的確定方法，保障下煤層工作面安全高效回采。

2 遺留煤柱穩(wěn)定性分析

研究采用Bieniawski強(qiáng)度公式對(duì)9號(hào)煤遺留煤柱載荷進(jìn)行分析，煤柱載荷確定方法如下：

(1)

式中：R為煤柱所受載荷，MPa；Rc為煤柱極限強(qiáng)度，MPa；B為煤柱寬度，m；H為煤柱高度，m。

將該礦相關(guān)參數(shù)帶入公式(1)有：

(2)

基于礦壓理論，構(gòu)建煤柱所受載荷模型如圖1所示。

圖1 煤柱受載模型圖

則煤柱在單位長(zhǎng)度時(shí)的承受載荷為：

(3)

式中：B為煤柱的寬度，m；D為采空區(qū)跨度，m；h為巷道埋深，m；δ為采空區(qū)上覆巖層垮落角，取30°；γ為上覆巖層容重，取2.3×103kg/m3。

將9號(hào)煤層數(shù)據(jù)代入公式(3)可得：

(4)

則20 m寬度的煤柱均布載荷為P/20=4 MPa，由于20 m煤柱能夠承受的均布載荷為44 MPa，小于煤柱的強(qiáng)度10.8 MPa，說(shuō)明9號(hào)煤層工作面的回采將不會(huì)對(duì)煤柱造成實(shí)質(zhì)性的破壞，煤柱比較穩(wěn)定。

3 煤柱下應(yīng)力分布特征分析

根據(jù)前述對(duì)上部煤層遺留煤柱穩(wěn)定性分析結(jié)果，結(jié)合彈性力學(xué)理論，建立平面半無(wú)限體分析模型如圖2所示。

圖2 平面半無(wú)限體分析模型圖

在煤柱受載條件下，底板不同位置的應(yīng)力表達(dá)式如下：

(5)

式中：S為區(qū)段煤柱尺寸，m；q為煤柱所受均布載荷，MPa；y為底板巖層到上部巖層垂直距離，m；x為底板巖層到煤柱中心距離，m。

基于上述理論分析結(jié)果，煤柱的存在對(duì)垂直應(yīng)力分布影響較為明顯，隨著與煤柱距離的增加，應(yīng)力值也隨之減小，為此對(duì)于近距離煤層開(kāi)采時(shí)，下煤層巷道的布置應(yīng)確保其位于煤柱應(yīng)力影響區(qū)之外?？紤]煤層傾角情況建立近距離煤層開(kāi)采巷道影響范圍數(shù)學(xué)模型見(jiàn)圖3。

圖3 近煤層開(kāi)采巷道影響范圍數(shù)學(xué)模型圖

可得到：

(6)

式中：M為巷道錯(cuò)開(kāi)距離，m；Z為巷道至煤層底板應(yīng)力影響范圍，m；β為應(yīng)力傳播影響角，°；θ為應(yīng)力力傳播影響余角，°；α為煤層傾角，°。

本礦煤層傾角為3°，煤層底板應(yīng)力影響距離為10 m，通過(guò)實(shí)測(cè)本礦煤柱向底板傳力的影響角約為40°，將相關(guān)參數(shù)帶入公式(6)可計(jì)算出下，煤層回采巷道應(yīng)布置在煤柱線(xiàn)外約18.8 m之外，巷道受壓狀況可明顯改善。確定10號(hào)煤層回采巷道的理論內(nèi)錯(cuò)距離為19 m。

4 合理巷道位置確定數(shù)值模擬分析

研究采用數(shù)值方法對(duì)該礦10號(hào)煤層合理巷道布置位置進(jìn)行分析。模型長(zhǎng)×寬×高=200 m×10 m×70 m，劃分為35 652個(gè)單元。模型前后左右及下邊界位移約束，巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 巖石力學(xué)參數(shù)

數(shù)值模擬中煤柱寬度20 m，巷道錯(cuò)開(kāi)距離分別為15 m(方案1)，17 m(方案2)，19 m(方案3)及21 m(方案4)。通過(guò)分析不同方案的巷道底鼓量和頂板下沉量以及兩幫移近量，確定合理的巷道錯(cuò)開(kāi)距離，以便最終確定合理的巷道位置，數(shù)值模擬結(jié)果分別見(jiàn)圖4與圖5。

圖4 巷道垂直位移變化情況圖

基于數(shù)值結(jié)果獲得的巷道位移變化情況見(jiàn)圖6，可以看出，隨著巷道錯(cuò)開(kāi)距離的增加，巷道頂?shù)装寮皟蓭臀灰瞥尸F(xiàn)整體降低趨勢(shì)，巷道錯(cuò)開(kāi)距離由15 m增加至19 m時(shí)，底板底鼓量由275 m降低至105 m，降低量達(dá)62%.底板沉降量由78 mm降低至26 mm，降低量達(dá)66.7%，兩幫移近量由164 mm降低至83 mm，降低量達(dá)49.4%；巷道錯(cuò)開(kāi)距離由19 m增加至21 m時(shí)，底板底鼓降低量達(dá)17.1%，底板沉降降低量達(dá)26.9%，兩幫移近降低量達(dá)9.6%.

圖5 巷道水平位移變化情況圖

綜合分析，巷道錯(cuò)開(kāi)距離由15 m增加至19 m時(shí)，巷道位移平均降低量達(dá)59.4%；巷道錯(cuò)開(kāi)距離由19 m增加至21 m時(shí)，巷道位移平均降低量達(dá)17.8%.從回采安全及資源回收率最大原則考慮，當(dāng)巷道錯(cuò)開(kāi)距離為19 m時(shí)最佳，這與理論計(jì)算結(jié)果基本吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了理論分析的可靠性。在19 m錯(cuò)開(kāi)距離條件下，可使回采巷道在上部煤柱支承壓力的影響之外，確保下煤層安全高效開(kāi)采。

圖6 巷道位移變化情況圖

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 通過(guò)分析遺留煤柱的穩(wěn)定性，給出了煤柱在單位長(zhǎng)度下的受載分析式，計(jì)算得到20 m寬度的煤柱均布載荷為4 MPa，小于煤柱的強(qiáng)度10.8 MPa，上部9號(hào)煤層工作面回采過(guò)后遺留的煤柱依然穩(wěn)定。

2) 煤柱的存在對(duì)垂直應(yīng)力分布影響較為明顯，隨著與煤柱距離的增加，應(yīng)力值也隨之減小，據(jù)此構(gòu)建了近煤層開(kāi)采巷道影響范圍數(shù)學(xué)模型，計(jì)算得到10號(hào)煤層回采巷道的理論內(nèi)錯(cuò)距離為19 m。

3) 通過(guò)數(shù)值模擬分析，巷道錯(cuò)開(kāi)距離由15 m增加至19 m時(shí)，巷道位移平均降低量達(dá)59.4%；巷道錯(cuò)開(kāi)距離由19 m增加至21 m時(shí)，巷道位移平均降低量達(dá)17.8%.從回采安全及資源回收率最大原則考慮，當(dāng)巷道錯(cuò)開(kāi)距離為19 m時(shí)最佳，這與理論計(jì)算結(jié)果基本吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了理論分析的可靠性。