近距離煤層遺留煤柱影響下巷道合理布置方法

武華杰

(太原東山煤電集團(tuán) 生產(chǎn)(建設(shè))技術(shù)處，山西 太原 030000)

近年來，隨著煤炭產(chǎn)能的不斷提高，對資源的合理利用與開采安全性提出了更高的要求[1-3]。特別是近距離煤層開采，由于下煤層巷道布置的不合理，導(dǎo)致上煤層遺留煤柱形成的支撐壓力對下煤層工作面巷道的穩(wěn)定性造成了不利影響，為礦山安全開采帶來困難[4-6]，這就需要對近距離煤層遺留煤柱影響下巷道合理布置方法進(jìn)行研究。

在這方面的研究中，耿春喜采用理論分析、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場實測的方法對山西某礦近距離煤層8號、9號煤層回采巷道位置選擇進(jìn)行了研究，確定兩煤層回采巷道合理錯距為9 m[7]；王恩博通過分析上煤層遺留煤柱在煤層底板中的應(yīng)力傳播規(guī)律，計算出巷道與煤柱的內(nèi)錯距離應(yīng)該大于12.8 m[8]；李國棟等采用理論計算和UDEC數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,研究了3106工作面回采巷道合理布置及圍巖控制方法，指出回采巷道布置在距殘留煤柱邊緣15 m處，給出了高強(qiáng)度錨桿(索)關(guān)鍵部位協(xié)同支護(hù)方案[9]。

本文以某礦近距離煤層開采為研究背景，分析了上煤層遺留煤柱下底板應(yīng)力分布特征，在此基礎(chǔ)上通過數(shù)值模擬分析，研究了下煤層工作面合理巷道布置方法，以實現(xiàn)該礦近距離煤層安全高效開采。

1 工作面概況

東山煤電某煤礦2603綜采工作面位于東二采區(qū)6號煤層，煤層產(chǎn)狀較平緩，傾角為1～7°，工作面走向長度1 300 m，傾斜長度180 m，工作面間留有30 m寬保護(hù)煤柱，2603工作面煤巖綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 煤巖綜合柱狀圖

6號煤層下方為5號煤層，其中2503工作面西側(cè)為2501工作面，東側(cè)為2505工作面，上部為2603工作面采空區(qū)，該工作面還未進(jìn)行開采，工作面間留有15 m寬保護(hù)煤柱。2503工作面與2505工作面回采巷道屬于典型的近距離煤層群復(fù)雜應(yīng)力下的回采巷道。兩煤層工作面空間位置關(guān)系見圖2。

圖2 各工作面空間位置關(guān)系圖

對于近距離煤層的開采，受回采巷道、工作面及煤柱空間分布的影響，往往導(dǎo)致礦壓顯現(xiàn)復(fù)雜、巷道維護(hù)困難、采掘接替緊張以及煤炭資源損失嚴(yán)重等問題。究其根本原因在于開采擾動影響下，煤層之間產(chǎn)生的復(fù)雜應(yīng)力場和位移場對巷道穩(wěn)定性的影響，特別是當(dāng)巷道布置與各煤層開采的時空關(guān)系不合理時尤其嚴(yán)重，為此需要研究近距離煤層開采巷道合理布置方法，以保證礦山安全高效開采。

2 底板巖層應(yīng)力分布特征

近距離煤層回采巷道所受應(yīng)力與單一煤層開采不同，主要體現(xiàn)在三個方面：其一，受本工作面巷道掘進(jìn)與工作面回采影響；其二，受其上部工作面回采影響；其三，受上煤層遺留煤柱產(chǎn)生的支撐應(yīng)力影響，不同作用階段導(dǎo)致回采巷道呈現(xiàn)多應(yīng)力變化特征。該礦5號煤層2503與2505工作面巷道位于上煤層開采及遺留煤柱影響范圍內(nèi)，在采動壓力作用下，應(yīng)力多次重新分布，導(dǎo)致巷道圍巖穩(wěn)定性顯著下降。因此，上煤層工作面回采對下工作面巷道穩(wěn)定性具有重要的影響。

由于5號煤層2503與2505工作面巷道位于6號煤層2603與2605工作面下方，5號煤層兩工作面間留有30 m寬的煤柱，形成兩側(cè)采空區(qū)條件，上煤層回采不僅會對近區(qū)域內(nèi)煤體(柱)形成應(yīng)力集中，還會將一部分應(yīng)力傳導(dǎo)至其下部一定范圍的頂板巖層中，應(yīng)力分布情況見圖3?？梢钥闯觯瑢τ趦蓚?cè)采空條件，作用在煤柱上的支承壓力表現(xiàn)為“凸”形發(fā)展特征，位于煤柱正下方的底板巖層所受垂直應(yīng)力最大，隨著煤柱距底板巖層距離的增加，煤柱作用于應(yīng)力傳播影響范圍也逐漸擴(kuò)大，應(yīng)力影響程度逐漸減小。

圖3 遺留煤柱底板巖層應(yīng)力分布情況示意

該礦上部6號煤層回采完成后，所遺留的煤柱將對底板一定區(qū)域施加垂直應(yīng)力作用，由圖2可以看出，6號煤層2603與2605工作面間的遺留煤柱正好位于5號煤層2503工作面巷道正上方。根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)分析結(jié)果，該巷道正處于上煤層煤柱應(yīng)力集中作用區(qū)；同時，2505工作面機(jī)巷也位于底板巖層應(yīng)力影響區(qū)域內(nèi)，兩巷道中間僅留設(shè)15 m寬煤柱，巷道的穩(wěn)定性必然遭受影響，為此需要分析巷道合理的布置方法，以避開上煤柱支撐壓力影響區(qū)。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值建模方案

為了分析近距離煤層開采下煤層巷道合理布置方法，本文采用數(shù)值模擬手段進(jìn)行研究，根據(jù)煤巖層綜合柱狀圖，進(jìn)行模型幾何參數(shù)設(shè)定，采用摩爾-庫侖模型。對于模型邊界條件的約束，左右邊界約束水平位移，下部邊界約束垂直位移。煤巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

通過構(gòu)建數(shù)值分析模型，研究5號煤層2503工作面回采巷道與上部6號煤層遺留煤柱中心的空間位置關(guān)系變化條件下，不同錯距下巷道圍巖塑性區(qū)、應(yīng)力及位移變化情況，以此確定合理的巷道位置，下煤層巷道距遺留煤柱中心線水平距離分別為0 m、12 m與24 m，模擬方案見表2。

表2 模擬方案

3.2 數(shù)值結(jié)果分析

方案1模擬結(jié)果見圖4。位移矢量圖中箭頭代表節(jié)點(diǎn)位移的方向和大??；應(yīng)力分布圖中的數(shù)值代表等值線上的應(yīng)力值，MPa。工作面巷道開挖后，受遺留煤柱支撐應(yīng)力的影響，巷道頂?shù)装寮皟蓭途霈F(xiàn)了明顯的位移變化，位移矢量發(fā)展均指向巷道中心位置，巷道周圍產(chǎn)生了明顯的塑性區(qū)，塑性區(qū)以巷道為中心呈現(xiàn)“X”形擴(kuò)展，巷道左右?guī)图绊數(shù)装逦灰屏糠謩e為110 mm、115 mm、124 mm與26 mm。由于巷道破壞卸荷作用，近巷道垂直應(yīng)力較小，約為2 MPa，并且由巷道邊壁向深處逐漸增加，最高可達(dá)10 MPa；巷道兩幫及頂板所受水平應(yīng)力較小，約為2 MPa，由巷道邊壁向深處逐漸增加，最高可達(dá)7 MPa，說明此時巷道處于煤柱高應(yīng)力作用影響區(qū)。

圖4 方案1模擬結(jié)果

方案2模擬結(jié)果見圖5。工作面巷道開挖后，巷道距離上方煤柱中心線水平距離為12 m，依然處在上部遺留煤柱壓力影響范圍內(nèi)，巷道塑性區(qū)發(fā)展以頂板及右?guī)蜑橹?，位移矢量分布有所減少，巷道左右?guī)图绊數(shù)装逦灰屏糠謩e為40 mm、45 mm、53 mm與17 mm。巷道頂?shù)装宕怪睉?yīng)力較小，約為1 MPa，并且由巷道邊壁向深處逐漸增加，最高可達(dá)5 MPa，并且以“凸”發(fā)展特征向上部擴(kuò)展；巷道兩幫所受水平應(yīng)力較小，分別為1 MPa與2 MPa，底板所受應(yīng)力較大，約為6 MPa，由巷道邊壁向深處逐漸增加，最高可達(dá)6 MPa。說明此時巷道處于煤柱應(yīng)力作用影響區(qū)范圍內(nèi)。

圖5 方案2模擬結(jié)果

方案3模擬結(jié)果見圖6。工作面巷道開挖后，巷道距離上方煤柱中心線水平距離為24 m，巷道塑性區(qū)發(fā)展同樣以頂板及右?guī)蜑橹?，位移矢量分布進(jìn)一步減少，巷道左右?guī)图绊數(shù)装逦灰屏糠謩e為12 mm、15 mm、18 mm與4 mm。巷道頂?shù)装宕怪睉?yīng)力較小，約為0.7 MPa，由巷道邊壁向深處逐漸增加，最高可達(dá)4.5 MPa，頂板應(yīng)力“凸”形發(fā)展特征更加明顯；巷道兩幫及頂板所受水平應(yīng)力較小，約為0.6 MPa，底板所受應(yīng)力較大，約為5.5 MPa，由巷道邊壁向深處逐漸增加，最高可達(dá)6.5 MPa。由巷道變形發(fā)展可以看出，此時巷道處于上部遺留煤柱壓力影響范圍以外，巷道整體圍巖狀況很好。巷道比較穩(wěn)定。

圖6 方案3模擬結(jié)果

3種方案巷道表面變形對比情況見圖7?？梢钥闯?，隨著巷道與上部遺留煤柱水平距離的增加，巷道表面變形明顯降低。由于方案1與方案2中，巷道處于上部煤柱支撐壓力影響范圍內(nèi)，巷道變形整體較大；對于方案3，巷道位于上部煤柱支撐壓力影響范圍以外，巷道變形發(fā)展整體較小，最大位移僅為18 mm。結(jié)果表明，隨著下煤層巷道距遺留煤柱中心線水平距離增大，巷道穩(wěn)定性更好。

圖7 各方案巷道變形量

4 結(jié) 語

1) 作用在煤柱上的支承壓力表現(xiàn)為“凸”形發(fā)展特征，位于煤柱正下方的底板巖層所受垂直應(yīng)力最大，隨著煤柱距底板巖層距離的增加，煤柱作用于應(yīng)力傳播影響范圍也逐漸擴(kuò)大；由于2503工作面巷道處于上煤層煤柱應(yīng)力集中作用區(qū)，巷道的穩(wěn)定性必然遭受影響。

2) 通過數(shù)值模擬分析，隨著巷道與上部遺留煤柱中心水平距離的增加，巷道表面變形顯著降低，巷道所受垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力也隨之減小，隨著下煤層巷道距遺留煤柱中心線水平距離增大，巷道穩(wěn)定性更好。

3) 對近距離煤層開采遺留煤柱影響下巷道合理布置方法進(jìn)行了研究，由于動壓巷道所受應(yīng)力復(fù)雜，后續(xù)將對巷道支護(hù)技術(shù)進(jìn)行分析，以進(jìn)一步提高巷道的穩(wěn)定性。