多次采動(dòng)影響下回采巷道合理布置位置數(shù)值模擬分析

任欣 袁仕松 彭首清

摘 要：針對(duì)多次采動(dòng)影響下近距離煤層群開(kāi)采回采巷道圍巖控制的問(wèn)題，采用UDEC數(shù)值模擬方法，設(shè)計(jì)三種模擬方案：方案一：實(shí)體煤側(cè)距上部煤層開(kāi)采邊緣17m處布置巷道;方案二：實(shí)體煤側(cè)距上部煤層開(kāi)采邊緣47m處布置巷道;方案三：采空區(qū)側(cè)距上部煤層開(kāi)采邊緣16m處布置巷道。通過(guò)對(duì)比分析了不同應(yīng)力區(qū)域中巷道垂直應(yīng)力和表面位移，并綜合分析各因素，原巖應(yīng)力區(qū)和卸壓區(qū)中布置巷道是切實(shí)可行的的方案，其中以卸壓區(qū)布置方案三最為理想。

關(guān)鍵詞：采動(dòng)影響;近距離;煤層群;巷道布置;數(shù)值模擬

0引言

對(duì)于煤層群開(kāi)采，隨著煤層間距離減小，上下煤層間開(kāi)采的相互影響會(huì)逐漸增大，特別是當(dāng)煤層間距很近時(shí)，下部煤層開(kāi)采前頂板的完整程度已受上部煤層開(kāi)采損傷影響，其上又為上部煤層開(kāi)采垮落的矸石，且上部煤層開(kāi)采后殘留的區(qū)段煤柱及一側(cè)采空的煤體在底板形成的集中應(yīng)力，導(dǎo)致下部煤層開(kāi)采區(qū)域的頂板結(jié)構(gòu)和應(yīng)力環(huán)境發(fā)生變化。從而使下部煤層開(kāi)采與單一煤層開(kāi)采相比出現(xiàn)了許多新的礦山壓力現(xiàn)象。因此，研究近距離煤層群下部煤層回采巷道布置及圍巖控制技術(shù)，對(duì)于近距離煤層群的安全高效開(kāi)采具有重要意義。

某典型煤礦屬于高瓦斯近距離煤層群開(kāi)采條件，其北翼3+4號(hào)煤層24208回風(fēng)巷（原膠帶巷）存在巷道位置布置及支護(hù)參數(shù)不合理的情況，致使3+4號(hào)煤層24208回風(fēng)巷（原膠帶巷）受上部2號(hào)薄煤層保護(hù)層22201回采工作面開(kāi)采的采動(dòng)影響，巷道礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，制約著生產(chǎn)工作的順利進(jìn)行。因此，以某礦北翼22201工作面及24208回風(fēng)巷（原膠帶巷）地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，開(kāi)展近距離煤層群下部煤層回采巷道布置及圍巖控制技術(shù)研究，對(duì)保證安全高效生產(chǎn)及工作面順利接替具有重大意義。

1 工程概況

某煤礦井田4.5～8km的傾斜寬度，走向長(zhǎng)22km，面積約135km2，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力3.0Mt/a，后經(jīng)過(guò)技術(shù)改造生產(chǎn)能力提升為5.0Mt/a。礦井以?xún)蓚€(gè)水平開(kāi)拓全井田，一水平開(kāi)拓山西組2、3、4、5號(hào)煤，水平標(biāo)高+400m，二水平開(kāi)拓太原組6、8、9、10號(hào)煤。礦井目前生產(chǎn)水平為+400m水平。礦井北翼2、3+4、5號(hào)煤層屬于近距離煤層群，24208工作面為北二采區(qū)第八個(gè)沿煤層傾向布置的長(zhǎng)壁式回采工作面。其東面至北軌大巷;南面為正在回采的24207工作面;開(kāi)拓區(qū)在西部;2#煤上方正在開(kāi)采，22201工作面為首采工作面。

2回采巷道合理位置數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值模型構(gòu)建及方案設(shè)計(jì)

UDEC 4.0能夠分析研究直接和不連續(xù)特征相關(guān)的潛在的巖體破壞方式，可以較準(zhǔn)確地分析煤層開(kāi)采造成的覆巖運(yùn)動(dòng)及破壞規(guī)律。以某煤礦北翼24208工作面綜合柱狀圖為參照，建立現(xiàn)場(chǎng)二維數(shù)值計(jì)算模型。為消除模型尺寸太小對(duì)模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的影響，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作面實(shí)際施工情況，將模型尺寸設(shè)計(jì)為660×47.9m的長(zhǎng)方形平面模型，如圖1所示。模型采用摩爾—庫(kù)侖模型且僅受重力作用，模型邊界條件采用位移固定邊界，其中兩側(cè)邊界為單向約束，底部為雙向約束。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際上邊界載荷按采深514m計(jì)算。數(shù)值計(jì)算過(guò)程為：建立模型→原巖應(yīng)力計(jì)算→煤層開(kāi)挖→計(jì)算→結(jié)果輸出。

為尋求近距離煤層底板應(yīng)力場(chǎng)演化規(guī)律，在2號(hào)煤層中開(kāi)挖150m的22201工作面，觀測(cè)22201工作面開(kāi)挖后模型運(yùn)行500步時(shí)、1500步時(shí)、2500步時(shí)和3500步時(shí)四種情況下底板巖層應(yīng)力等值線沿水平方向（X軸方向）及垂直方向（Y軸方向）的演化規(guī)律。

為了確定近距離煤層群開(kāi)采下部煤層回采巷道合理位置，采用UDEC數(shù)值模擬軟件分別在3+4號(hào)煤層原巖應(yīng)力區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)和卸壓區(qū)中布置巷道，對(duì)比分析不同應(yīng)力區(qū)域中巷道垂直應(yīng)力、塑性區(qū)和表面位移來(lái)確定下部煤層回采巷道合理位置，設(shè)計(jì)如下模擬方案：方案一：實(shí)體煤側(cè)距上部煤層開(kāi)采邊緣17m處布置巷道;方案二：實(shí)體煤側(cè)距上部煤層開(kāi)采邊緣47m處布置巷道;方案三：采空區(qū)側(cè)距上部煤層開(kāi)采邊緣16m處布置巷道。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

布置于原巖應(yīng)力區(qū)中的巷道，垂直應(yīng)力等值線對(duì)稱(chēng)分布，左右?guī)妥畲髧鷰r應(yīng)力為14MPa。由于受到上部煤層開(kāi)采影響，布置于應(yīng)力集中區(qū)和卸壓區(qū)中的巷道兩幫圍巖應(yīng)力出現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)性分布特征，布置于應(yīng)力集中區(qū)中的巷道，右?guī)妥畲髧鷰r應(yīng)力為18MPa，布置于卸壓區(qū)中的巷道，右?guī)妥畲髧鷰r應(yīng)力為12MPa，方案三布置于卸壓區(qū)中的巷道圍巖應(yīng)力小，有利于巷道圍巖的穩(wěn)定。

在巷道頂?shù)装寮皟蓭椭悬c(diǎn)設(shè)置測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)布置于3+4號(hào)煤層不同應(yīng)力區(qū)域的回采巷道表面位移，監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，布置于應(yīng)力集中區(qū)域中的回采巷道頂?shù)装鍑鷰r和兩幫圍巖移近量最大，布置于卸壓區(qū)域中的巷道表面位移最小，原巖應(yīng)力區(qū)域中的巷道表面位移介于兩者之間。從巷道表面位移分析，近距離煤層群下部煤層回采巷道最理想的布置位置為卸壓區(qū)。綜合分析各因素，原巖應(yīng)力區(qū)和卸壓區(qū)中布置巷道是切實(shí)可行的的方案，其中以卸壓區(qū)布置方案三最為理想。

參考文獻(xiàn)：

[1] 林衍，譚學(xué)術(shù)，胡耀華.對(duì)緩傾近距離煤層群同采合理錯(cuò)距的探討[J].貴州工學(xué)院學(xué)報(bào)，1994.

[2] 武忠，李日官.近距離煤層回采巷道布置研究[J].煤礦開(kāi)采，2002，7（4） ， 14-15，18.

作者簡(jiǎn)介：

任欣（1997.05-）男，貴州省仁懷市人，貴州六盤(pán)水師范學(xué)院礦業(yè)與土木工程學(xué)院采礦工程專(zhuān)業(yè)本科生

基金項(xiàng)目：貴州省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（2018520982）