基于FLAC3D的 “三軟”煤層錯層位巷道布置開采數值模擬研究

宋 平，劉宏軍,，周 浩

(1.華北理工大學礦業工程學院，河北 唐山 063210；2.河北省礦業開發與安全技術重點實驗室，河北 唐山 063210；3.開灤精煤股份有限公司范各莊礦業分公司，河北 唐山 063009)

所謂“三軟”煤層是指“頂板軟、煤層軟、底板軟”，“三軟”煤層地質構造復雜，賦存條件差，難以實現大規模機械化開采，采用傳統采煤法開采“三軟”煤層，巷道布置復雜，圍巖控制比較困難，煤炭回收率較低[1-2]。

為了求解決上述問題，研究出適合“三軟”煤層開采方法，為類似條件下煤層的安全開采積累了經驗，達到對“三軟”煤層進行安全高效開采的目標。本文結合錯層位巷道布置采煤法巷道布置特點，提出了采用錯層位巷道綜放采煤法開采“三軟”煤層。

1 工作面概況

河南某礦31111工作面主采二1煤層，煤層厚度0.15～15.2 m，煤層厚度變化大，平均厚度7.3 m，煤層傾角平均14°，工作面走向長1 600 m，傾斜寬140 m。該工作面是典型“三軟”煤層工作面，工作面煤質松軟，普氏系數0.2～0.5，煤層呈粉粒狀或鱗片狀，遇水后成煤泥；煤層直接頂和底板普遍為泥巖或砂質泥巖，煤層頂底板詳細情況見表1。

表1 煤層頂底板情況

對于該礦“三軟”煤層的開采，若采用傳統巷道布置采煤法，即在松軟煤層中開掘工作面進風巷、回風巷，巷道掘進和維護十分困難，成本較高，同時，布置接續工作面時，相鄰工作面之間需留設較寬的護巷煤柱，煤炭損失嚴重[3-4]。

2 “三軟”煤層錯層位巷道布置采煤法

錯層位巷道布置采煤法是由中國礦業大學(北京)趙景禮發明，并獲得了國家發明專利[5]。對于該礦“三軟”煤層的開采，可采用錯層位巷道布置采煤法，其巷道布置如圖1所示。

圖1 “三軟”煤層錯層位巷道布置圖

從圖1中可以看出，錯層位巷道布置采煤法通過采用靈活的巷道布置方式，選擇將巷道布置在較為堅硬頂板巖層中，取消了區段煤柱留設，避開了支承壓力峰值的影響，將接續工作面巷道布置在首采工作面采空區下方的應力降低區內，從理論上對“三軟”煤層的開采較為有利[6-7]，但其應用效果需進一步研究分析，為此下面采用FLAC3D數值模擬的方法進行具體研究分析。

3 FLAC3D數值模擬研究

3.1 模型建立

以河南某礦“三軟”煤層工作面實際地質條件為背景，建立數值模擬模型[8]，模型模擬的煤層距地面約300 m，在不影響計算結果的前提下對模型進行簡化，簡化后的模型如圖2所示，煤巖層物理力學參數見表2。

圖2 數值模擬模型圖

3.2 模擬內容

巷道基本支護采用具備高阻可縮特性的U型鋼支護，棚距500 mm，支架搭接長度為500 mm，并對巷道表面進行噴漿，噴層厚度為50±5 mm。

表2 煤巖層物理力學參數

本文通過采用FLAC3D數值模擬軟件，分別模擬采用傳統和錯層位巷道布置采煤法開采“三軟”煤層，并將兩種采煤法進行對比研究分析[9]，主要模擬內容包括：①首采工作面巷道布置在不同層位上，在掘進和回采期間巷道圍巖的受力變形情況；②相鄰接續工作面巷道采用不同的布置位置和方式，其巷道圍巖的受力變形情況。

3.3 模擬結果分析

3.3.1 首采工作面巷道數值模擬分析

3.3.1.1 掘進期間

圖3 首采工作面巷道掘進圍巖應力分布云圖

1) 應力分布。針對該礦“三軟”煤層的開采，錯層位巷道布置采煤法將首采工作面回風巷布置在較為堅硬的頂板巖層中，其巷道圍巖應力分布如圖3所示。從圖3中可以看出，巷道掘進后巷道頂底板中部的應力較小，其應力集中系數k=0.34～0.38，在巷道兩側的煤巖層中出現支承應力峰值。由于錯層位將回風巷道沿頂板布置，其頂板巖層為砂質泥巖，較煤層堅硬。從表3可看出相比沿煤層布置的巷道，錯層位巷道圍巖承受支承應力的能力增強，錯層位巷道兩側煤巖層中支承應力峰值較大、出現峰值點的位置離巷道較近，支承壓力的影響范圍較小。

2) 位移分布。在煤巖層中開掘巷道，巷道圍巖在支承應力的影響下出現不同程度的變形，如圖4所示。巷道圍巖變形以頂板下沉和底鼓現象較為嚴重，具體巷道圍巖變形量見表4。與傳統巷道布置相比，錯層位沿頂板布置巷道除頂板下沉量較大外，底板和兩幫位移量均較小，尤其是底鼓量明顯減小，即巷道圍巖支護條件得到了改善，維護較為容易。

表3 巷道圍巖峰值應力統計表

表4 巷道圍巖變形量表

圖4 首采工作面巷道掘進圍巖位移分布云圖

圖5 首采工作面回采期間實體煤一側應力分布曲線

3.3.1.2 回采期間

1) 應力分布。首采工作面回采，巷道一側實體煤上的支承壓力進行了重新分布，提取支承應力數據，做出實體煤一側支承應力分布曲線，如圖5所示。與傳統巷道布置采煤法相比，采用錯層位開采巷道實體煤一側支承應力影響范圍較小，應力峰值出現的位置離巷道較近，距離5～6 m，但應力峰值較大，最大峰值應力為34 MPa，應力集中系數k=2.43，根據實體煤一側支承應力大小進行分區，如表5所示。從實體煤一側的支承應力分區來看，錯層位和傳統巷道布置開采，煤體一側破裂區范圍相同，但錯層位開采塑性區和彈性區升高部分范圍較小。

2) 位移分布。提取回采期間，巷道圍巖變形數據，作出傳統開采和錯層位開采圍巖位移分布曲線，如圖6所示。由圖6可知，采用錯層位巷道布置巷道位移量為1 000 mm左右，較傳統開采位移量1 600 mm小，巷道圍巖維護較為容易。

3.3.2 接續工作面巷道掘進數值模擬分析

該礦“三軟”煤層若采用傳統開采方法，根據以往經驗相鄰工作面之間需留設50 m護巷煤柱，而采用錯層位開采方法，可將接續工作面巷道布置在首采工作面采空區下方的應力降低區內。

1) 應力分布。傳統開采接續工作面巷道圍巖最大應力出現在巷道左幫，最大應力為23 MPa，應力集中系數k=1.65，巷道頂底板應力均較小；而采用錯層位巷道布置，接續工作面巷道布置在應力降低區，應力集中系數k=0.29～0.60，巷道圍巖應力均小于原巖應力，巷道掘進和維護較為容易，但錯層位接續工作面巷道頂板處于沿空狀態，支護時需要防止工作面漏矸及工作面漏風。

2) 位移分布。從表6可以看出，傳統開采接續工作面巷道底板出現了明顯的底鼓現象，底鼓量為264 mm，巷道頂板下沉量也較大，下沉量158 mm；錯層位接續工作面巷道布置在首采工作面采空區下方，巷道掘進后變形量較小，接續工作面巷道最大變形出現在巷道右幫，最大變形量為121 mm。錯層位接續工作面巷道圍巖變形量較小，巷道維護較為容易，錯層位接續工作面巷道兩側變形量差異較大，應加強對巷道右幫的支護。

圖6 首采工作面回采巷道圍巖位移分布曲線

頂板/MPa底板/MPa左幫/MPa右幫/MPa傳統開采12102318錯層位開采/458

表6 傳統和錯層位接續工作面巷道圍巖變形量

4 結 論

與傳統巷道布置采煤法相比，針對“三軟”煤層開采采用錯層位巷道布置采煤法，具有顯著優勢。

1) 錯層位采煤法巷道布置位置和方式靈活，接續工作面巷道巧妙的避開了支承壓力峰值的影響，提高了煤炭回收率。

2) 錯層位將首采工作面巷道布置在較為堅硬的頂板巖層中，巷道圍巖巖性條件得到改善，巷道圍巖能夠承受較大的支承應力峰值，巷道圍巖變形也

相對較小，巷道底鼓現象也得到了很大程度緩解。

3) 錯層位首采工作面回采期間，巷道圍巖和實體煤一側支承應力影響范圍較小，從應力實體煤一側應力分區來看，塑性區和彈性區升高部分范圍變小；回采期間巷道圍巖位移變形小，巷道維護較為容易。

4) 錯層位接續工作面巷道由于布置在應力降低區，巷道掘進較為容易，巷道變形量較小，但巷道兩側變形量差異較大，應加強對巷道右幫的支護，同時由于巷道頂板處于沿空狀態，支護時要防止工作面漏矸和漏風。

參考文獻

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