近距離煤層下層煤回采巷道位置優(yōu)化設(shè)計(jì)

王清亮

(山西汾西礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,山西 介休 032000)

為了確定近距離煤層下層煤開(kāi)采巷道合理布置位置，在確定巷道采用內(nèi)錯(cuò)式布置形式情況下結(jié)合FLAC3D數(shù)值軟件，建立了重疊、內(nèi)錯(cuò)6 m、8 m、10 m巷道布置模型，通過(guò)圍巖變形量等參數(shù)分析，確定內(nèi)錯(cuò)8 m較為適宜；建立了寬度沿空3 m、4 m、5 m、6 m煤柱計(jì)算模型。分析可知，沿空掘巷煤柱寬度為4 m。

近距離煤層；沿空巷道；內(nèi)錯(cuò)距；煤柱寬度

1 工程概況

礦井3下412工作面運(yùn)順順槽為沿空巷道，與3下408工作面相鄰。3下408工作面位于東股閘下引河南，小卜灣村南1 065 m～1 798 m范圍內(nèi)，工作面上方為昭陽(yáng)湖區(qū)。井下位置位于東四采區(qū)東南部。

3下煤層為井田主要可采煤層，下距太原組12下煤平均96.5 m，下距三灰平均45 m，與3上煤層相距10.2 m。頂板巖性以中細(xì)粒砂巖、砂質(zhì)泥巖為主，底板巖性主要為粉砂巖、細(xì)砂巖等。煤層厚度0 m～6.25 m，平均3.8 m。除井田北部邊緣第5勘探線有一狹長(zhǎng)條帶，因受河床相砂巖同期沖刷形成無(wú)煤帶之外，其余大面積穩(wěn)定可采，厚度變化幅度較小，一般在4 m左右，屬穩(wěn)定至較穩(wěn)定煤層，煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，夾矸一般只有一層，且位于煤層下部，厚度多小于0.6 m，最大厚度1.74 m。巖性以黏土巖、粉砂巖為主。3下煤層頂?shù)装鍘r性特征見(jiàn)表1。

2 最小內(nèi)錯(cuò)距離的選擇

2.1 數(shù)值模型的建立

由于3上煤層遺留煤柱寬度較小，故不適合采用外錯(cuò)式布置，只建立重疊式及內(nèi)錯(cuò)式巷道布置模型。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

1) 重疊式布置。3下412工作面運(yùn)輸巷道布置在3上412工作面運(yùn)輸巷道正下方。

2) 內(nèi)錯(cuò)式布置。3下煤層412工作面運(yùn)輸巷布置在3上412運(yùn)輸巷道與3上408工作面回風(fēng)巷道之間煤柱一側(cè)，分別模擬內(nèi)錯(cuò)距離為6 m、8 m、10 m幾種情況。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

1) 塑性破壞特征分析

巷道圍巖的塑性破壞如第109頁(yè)圖1所示。

由圖1可以看出，隨著巷道與煤柱水平距離的不斷增大，巷道圍巖塑性破壞區(qū)逐漸減小，塑性破壞區(qū)主要集中在巷道頂板及靠近煤柱側(cè)巷幫。當(dāng)內(nèi)錯(cuò)距離小于6 m時(shí)，上下煤層塑性區(qū)貫通。當(dāng)內(nèi)錯(cuò)距離大于8 m時(shí)，塑性區(qū)面積基本上保持不變。

圖1 不同布置方式下巷道塑性破壞區(qū)分布

2) 巷道變形量分析

巷道掘進(jìn)期間，不同布置方式下巷道變形量統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 巷道掘進(jìn)期間不同布置方式巷道變形量

如表2所示，當(dāng)3下412工作面運(yùn)輸巷采用重疊布置時(shí)，巷道掘進(jìn)期間頂板下沉量為60.0 mm，底鼓量為27.0 mm，靠近上煤層煤柱側(cè)巷幫變形量為66.7 mm，遠(yuǎn)離上煤層煤柱側(cè)巷幫變形量為28.1 mm。

當(dāng)3下412工作面運(yùn)輸巷采用內(nèi)錯(cuò)布置，內(nèi)錯(cuò)距離為6 m時(shí)，巷道掘進(jìn)期間頂板下沉量為47.6 mm，底鼓量為23.1 mm，靠近上煤層煤柱側(cè)巷幫變形量為56.2 mm，遠(yuǎn)離上煤層煤柱側(cè)巷幫變形量為24.9 mm。

當(dāng)3下412工作面運(yùn)輸巷采用內(nèi)錯(cuò)布置，內(nèi)錯(cuò)距離為8 m時(shí)，巷道掘進(jìn)期間頂板下沉量為44.8 mm，底鼓量為22.1 mm，靠近上煤層煤柱側(cè)巷幫變形量為52.5 mm，遠(yuǎn)離上煤層煤柱側(cè)巷幫變形量為22.6 mm。

當(dāng)3下412工作面運(yùn)輸巷采用內(nèi)錯(cuò)布置，內(nèi)錯(cuò)距離為10 m時(shí)，巷道掘進(jìn)期間頂板下沉量為43.0 mm，底鼓量為21.2 mm，靠近上煤層煤柱側(cè)巷幫變形量為49.7 mm，遠(yuǎn)離上煤層煤柱側(cè)巷幫變形量為21.1 mm。

巷道兩幫圍巖變形量較大且不對(duì)稱，靠近上煤層煤柱側(cè)巷幫變形量大于遠(yuǎn)離上煤層煤柱側(cè)巷幫變形量。隨著下煤層回采巷道與上煤層遺留煤柱水平距離的不斷增大，巷道位移量逐漸減小，當(dāng)內(nèi)錯(cuò)距離大于8 m時(shí)，巷道表面位移變化趨勢(shì)趨于平緩，巷道變形量受煤柱寬度的影響減小。

2.3 巷道布置方式的確定

由于3上煤層遺留煤柱寬度較小，不適合采用外錯(cuò)式布置，當(dāng)采用重疊式布置時(shí)，巷道圍巖應(yīng)力集中程度較大，巷道變形很大，不利于巷道的支護(hù)，故采用內(nèi)錯(cuò)式巷道布置，內(nèi)錯(cuò)距離至少為8 m。

3 下層煤沿空留巷煤柱寬度的選擇

擬采用平移式布置3下工作面回采巷道，將3上煤層煤柱集中壓力增高區(qū)布置在下煤層工作面內(nèi)，因3下煤層埋藏較淺，工作面支架完全可以滿足支護(hù)要求。綜合考慮3下工作面尺寸及最小內(nèi)錯(cuò)距離要求，3下408工作面回風(fēng)巷布置在距離煤柱47 m處，3下412工作面運(yùn)輸巷采用小煤柱沿空掘巷[1-2]，如圖2所示。

圖2 平面布置示意圖

3.1 數(shù)值模型的建立

本次模擬的模型上煤層遺留煤柱寬度為6 m，且3下408工作面距上煤層遺留煤柱邊緣水平距離為47 m。根據(jù)沿空煤柱寬度的不同，建立了3 m、4 m、5 m、6 m煤柱寬度4個(gè)計(jì)算模型。模擬不同沿空煤柱寬度下，3下408工作面與3下412工作面運(yùn)輸順槽相向采掘過(guò)程中，巷道的圍巖應(yīng)力分布及巷道變形情況。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.2.1 圍巖應(yīng)力分布規(guī)律

1) 第110頁(yè)圖3為工作面采過(guò)30 m后巷道圍巖垂直應(yīng)力分布，圖3可看出，由于采空區(qū)的影響，沿空巷道兩側(cè)出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，而且巷道頂?shù)装宄霈F(xiàn)了圓弧狀卸壓區(qū)域[3]。

當(dāng)煤柱寬度為3 m時(shí)，實(shí)體煤側(cè)應(yīng)力集中程度高于沿空側(cè)，實(shí)體煤側(cè)最大垂直應(yīng)力為22.2 MPa，沿空煤柱側(cè)最大垂直應(yīng)力為7.5 MPa。

當(dāng)煤柱寬度為4 m時(shí)，實(shí)體煤側(cè)應(yīng)力集中程度高于沿空側(cè)，實(shí)體煤側(cè)最大垂直應(yīng)力為13.5 MPa，沿空煤柱側(cè)最大垂直應(yīng)力為12.0 MPa。

當(dāng)煤柱寬度為5 m時(shí)，沿空側(cè)應(yīng)力集中程度高于實(shí)體煤側(cè)，實(shí)體煤側(cè)最大垂直應(yīng)力為14.0 MPa，沿空煤柱側(cè)最大垂直應(yīng)力為15.5 MPa。

當(dāng)煤柱寬度為6 m時(shí)，實(shí)體煤側(cè)應(yīng)力集中程度高于沿空側(cè)，實(shí)體煤側(cè)最大垂直應(yīng)力為17.5 MPa，沿空煤柱側(cè)最大垂直應(yīng)力為23.1 MPa。

隨著煤柱寬度的增加，實(shí)體煤側(cè)應(yīng)力集中程度逐漸減小，而沿空煤柱側(cè)應(yīng)力集中程度逐漸增大，當(dāng)煤柱寬度為4 m時(shí)，煤柱所承受的支撐壓力最小。

2) 圖4為工作面采過(guò)30 m后巷道圍巖水平應(yīng)力分布，由圖4可看出，當(dāng)煤柱寬度為3 m時(shí)，沿煤柱寬度方向煤柱所受最大水平應(yīng)力為2.5 MPa；當(dāng)煤柱寬度為4 m時(shí)，沿煤柱寬度方向煤柱所受最大水平應(yīng)力為2.0 MPa；當(dāng)煤柱寬度為5 m時(shí)，沿煤柱寬度方向煤柱所受最大水平應(yīng)力為4.0 MPa；當(dāng)煤柱寬度為6 m時(shí)，沿煤柱寬度方向煤柱所受最大水平應(yīng)力為5.5 MPa。煤柱所受水平應(yīng)力均為負(fù)值，說(shuō)明煤柱承受的水平應(yīng)力為壓應(yīng)力，沒(méi)有產(chǎn)生拉裂破壞，可作為載體承受較大的載荷。

3) 由圖5可知，巷道對(duì)角形成剪應(yīng)力集中帶，在另一對(duì)角形成卸壓帶，圍巖剪應(yīng)力等值曲線大致以巷道為中心點(diǎn)呈中心對(duì)稱，而且煤柱寬度越大，這種對(duì)稱現(xiàn)象越明顯。煤柱側(cè)底部形成支承壓力的集中區(qū)域，隨著煤柱寬度的增大，高剪應(yīng)力影響范圍隨著煤柱寬度的增加逐漸增大。

圖3 垂直應(yīng)力分布

圖4 水平應(yīng)力分布

圖5 剪應(yīng)力分布

4) 由圖第111頁(yè)6可知，不同沿空煤柱寬度情況，巷道圍巖出現(xiàn)不同程度的圍巖塑性破壞，沿空煤柱均完全處于塑性狀態(tài)，且為剪應(yīng)力破壞。隨著沿空煤柱寬度的增加，塑性破壞面積呈減小趨勢(shì)，當(dāng)煤柱寬度大于4 m時(shí)，塑性破壞情況得到明顯改善。

3.2.2 巷道變形規(guī)律

3下408工作面與3下412工作面運(yùn)輸順槽相向采掘過(guò)程中，巷道變形量隨采掘過(guò)程變化趨勢(shì)如圖7～圖9所示[4-5]。

當(dāng)工作面采過(guò)監(jiān)測(cè)截面30 m，沿空煤柱為3 m時(shí)，巷道頂板下沉量為0.2 m，沿空側(cè)巷幫變形量為0.30 m，實(shí)體側(cè)巷幫變形量為0.04 m；沿空煤柱為4 m時(shí)，巷道頂板下沉量為0.18 m，沿空側(cè)巷幫變形量為0.22 m，實(shí)體側(cè)巷幫變形量為0.03 m；沿空煤柱為5 m時(shí)，巷道頂板下沉量為0.16 m，沿空側(cè)當(dāng)工作面未采過(guò)監(jiān)測(cè)面時(shí)，巷道變形量較小，巷幫變形量為0.24 m，實(shí)體側(cè)巷幫變形量為0.02 m；沿空煤柱為6 m時(shí)，巷道頂板下沉量為0.12 m，沿空側(cè)巷幫變形量為0.21 m，實(shí)體側(cè)巷幫變形量為0.01 m。

圖6 不同沿空煤柱寬度下巷道塑性破壞區(qū)分布

圖7 巷道頂板下沉量變化曲線

圖8 沿空側(cè)巷幫變形量變化曲線

圖9 實(shí)體側(cè)巷幫變形量變化曲線

當(dāng)工作面采過(guò)監(jiān)測(cè)面，巷道變形量與工作面的距離呈線性增長(zhǎng)，且煤柱寬度越小，增長(zhǎng)速度越快。在距工作面相同距離的條件下，巷道變形量隨著沿空煤柱寬度的增大而減小。

由圖9與圖10對(duì)比可知，兩幫位移分布規(guī)律不同，沿空側(cè)巷幫變形量遠(yuǎn)大于實(shí)體側(cè)巷幫變形量，是巷道表面位移的主要組成部分。

當(dāng)煤柱寬度大于4 m時(shí)，巷道變形量隨煤柱寬度變化的趨勢(shì)減小，從節(jié)約資源提高煤炭回采率的角度考慮，沿空煤柱寬度取4 m。

3.3 沿空煤柱寬度的確定

綜合以上分析，3下煤層采用內(nèi)錯(cuò)式沿空掘巷方式布置回采巷道，回采巷道與3上煤層遺留煤柱最小內(nèi)錯(cuò)距離為8 m，與相鄰工作面回采巷道留設(shè)4 m保護(hù)煤柱。

4 結(jié)論

本章利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)不同內(nèi)錯(cuò)距離及不同沿空煤柱寬度下巷道圍巖應(yīng)力變形情況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得到不同條件下應(yīng)力、塑性區(qū)及位移分布規(guī)律。

1) 建立了重疊式、內(nèi)錯(cuò)式(內(nèi)錯(cuò)4 m、6 m、8 m、10 m、12 m)巷道布置模型，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)不同布置方式的模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得出在下煤層回采巷道掘進(jìn)期間不同布置方式下的應(yīng)力、塑性區(qū)及位移分布規(guī)律，分析得出3下煤層巷道需采用內(nèi)錯(cuò)式布置方法，且最小內(nèi)錯(cuò)距離為8 m。

2) 建立了不同寬度沿空煤柱計(jì)算模型(3 m、4 m、

5 m、6 m)，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟對(duì)不同的模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得出在3下408工作面和3下412工作面運(yùn)輸順槽采掘期間不同布置方式下的應(yīng)力、塑性區(qū)及位移分布規(guī)律，分析得出3下煤層回采巷道沿空掘巷煤柱寬度為4 m。

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