沖擊地壓礦井近距離煤層采空區(qū)下回采巷道合理錯距研究

丁國利，于輝華，蘇士杰，石超弘，劉晨陽

（中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司 葫蘆素煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017010）

近年來，沖擊地壓礦井?dāng)?shù)量不斷攀升，動力災(zāi)害日趨嚴(yán)重，沖擊地壓事故頻繁發(fā)生，造成重大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失[1-3]。部分礦井沖擊地壓事故是因?yàn)殚_采布局不合理，應(yīng)力場疊加造成沖擊地壓事故，因此沖擊地壓礦井必須實(shí)現(xiàn)源頭防沖，做好頂層設(shè)計(jì)，達(dá)到事半功倍的效果。針對近距離煤層聯(lián)合開采礦井，按照“三區(qū)分離”（分區(qū)開拓、分區(qū)布置、分區(qū)回采）的理念，遵循“區(qū)域先行”原則，優(yōu)先開采保護(hù)層，在保護(hù)層采空區(qū)下方開拓，最終采取盤區(qū)間跳采，實(shí)現(xiàn)低應(yīng)力開采。對于近距離煤層下行開采，要充分考慮3 方面：①2 層煤工作面及回采巷道之間的錯距；②受上層煤采空區(qū)或區(qū)段煤柱的影響，對下層煤巷道穩(wěn)定性的影響；③下層煤開采對上層煤層巷道穩(wěn)定性的影響[4]。因此近距離煤層采空區(qū)下回采巷道合理錯距研究至關(guān)重要，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行過大量研究，取得相當(dāng)不錯的研究成果[5-6]。受上覆煤層采空區(qū)及區(qū)段煤柱的影響，下層煤工作面回采巷道布置時應(yīng)充分考慮上層煤回采后的煤層底板的破壞及應(yīng)力的分布情況，尤其是回采巷道受工作面的動壓影響，穩(wěn)定性更容易受到破壞。回采巷道布置時應(yīng)盡量布置在壓力降低區(qū)，既能使巷道易于維護(hù)，又能充分保證工作面回采的安全[7-8]。

1 礦井概況

葫蘆素煤礦是晉蒙陜地區(qū)首批采深大于600 m的千萬噸級現(xiàn)代化礦井，井田內(nèi)含可采煤層8 層，根據(jù)各煤層賦存條件及煤層間距，將各煤層劃分為4 組，將2-1 煤和2-2 中煤劃分為一煤組；3-1 煤和4-1 煤劃分為二煤組；將4-2 中煤和5-1 煤劃為三煤組；將5-2 煤和6-2 煤劃分為四煤組。根據(jù)煤組劃分情況，礦井共劃分為4 個水平。將每個煤組劃分為5 個盤區(qū)，目前正在回采一水平一盤區(qū)和二盤區(qū)，其中21102 工作面已回采完畢，正在回采21103 工作面，21204 工作面為備用工作面；二盤區(qū)正在回采21204 和21205 工作面，開拓2-2 中煤一盤區(qū)盤區(qū)大巷，2-1 煤層和2-2 中煤層間距約26 m。為實(shí)現(xiàn)源頭治理，按照“三區(qū)分離”（分區(qū)開拓、分區(qū)布置、分區(qū)回采）的理念，采取2-1 煤和2-2 中煤盤區(qū)間跳采，需要在2-2 中煤布置回采工作面，因此合理錯局成為亟待解決的問題。

2 采空區(qū)下回采巷道布置力學(xué)模型

根據(jù)2-2 中煤一盤區(qū)實(shí)際條件建立的保護(hù)層錯層開采力學(xué)模型如圖1。

由圖1 可以看出，2-1 煤層開挖21102 工作面與21103 工作面，工作面寬度320 m，21102 工作面兩側(cè)區(qū)段煤柱均為30 m。2-2 中煤層與2-1 煤層層間距取26 m。22103 工作面為2-2 中煤一盤區(qū)首采工作面，工作面寬度320 m，22103 工作面與上分層21102 工作面之間的水平錯距為L，研究主要通過數(shù)值模擬方法，研究L 的合理取值范圍[9-10]。

3 數(shù)值模擬方案

根據(jù)綜合柱狀圖，在對實(shí)際條件進(jìn)行了適當(dāng)簡化后建立FLAC 數(shù)值模型。2-1 煤層與2-2 中煤層平均厚度均為3 m，兩煤層間距為26 m。2-2 中煤層埋藏深度取660 m。建立的數(shù)值模型尺寸為1 000 m×280 m。對模型底部邊界和左右邊界施加固定邊界條件；對于模型的頂部邊界，根據(jù)原巖應(yīng)力條件，在模型上方施加均布載荷，載荷大小為：

q=ρgH

式中：q 為載荷，kN/m2；ρ 為覆巖的密度，t/m3；H為模型頂部邊界與地表距離，m。

首先對2-1 煤層進(jìn)行開挖，確定21101 工作面回風(fēng)巷受采動影響后圍巖應(yīng)力分布特征、圍巖變形特征；再將22103 回風(fēng)巷與21102 回風(fēng)巷之間距離分別按0、20、40、60、80、100、130、160 m 建立模型，對22103 工作面進(jìn)行開挖，研究不同錯距條件下，21102 工作面采空區(qū)的卸壓范圍、30 m 遺留煤柱對22103 工作面的影響程度，以及不同開采條件下21101 工作面回風(fēng)巷道圍巖應(yīng)力及變形特征。綜合以上分析，選擇對本工作面回采及上分層工作面巷道維護(hù)最有利的錯距L[6，11]。保護(hù)層錯層開采數(shù)值模擬方案如圖2。

圖2 保護(hù)層錯層開采數(shù)值模擬方案Fig.2 Numerical simulation of split-layer mining

4 合理錯距數(shù)值模擬研究

4.1 2-1 煤層采空區(qū)卸壓研究

根據(jù)實(shí)際條件對2-1 煤層（保護(hù)層）進(jìn)行開挖，依次開挖21102、21130 工作面及21101 回風(fēng)巷之后，2-1 煤層開采后模型應(yīng)力分布云圖如圖3。

圖3 2-1 煤層開采后模型應(yīng)力分布云圖Fig.3 Model stress distribution of 2-1 coal seam after mining

由圖3 可知，2-1 煤層開挖完成后，在21102 采空區(qū)與21103 采空區(qū)形成2 處明顯的卸壓區(qū)域，但采空區(qū)中部觸矸后局部出現(xiàn)應(yīng)力恢復(fù)，上分層30 m遺留煤柱區(qū)域?qū)?-2 中煤開采影響最嚴(yán)重。

在2-1 煤層開挖后，分別按照錯距0、20、40、60、80、100、130、160 m 對22103 工作面進(jìn)行開挖，模型平衡后工作面的不同錯距下垂直應(yīng)力分布云圖如圖4。

圖4 不同錯距下垂直應(yīng)力分布云圖Fig.4 Vertical stress distribution at different offsets

由圖4 分析可知，22103 工作面與上分層21102工作面的內(nèi)錯距離對工作面應(yīng)力分布影響較大，主要在22103 運(yùn)輸巷側(cè)、回風(fēng)巷側(cè)與30 m 遺留煤柱下方形成3 處應(yīng)力集中區(qū)。

不同錯距下22103 運(yùn)輸巷區(qū)域垂直應(yīng)力分布如圖5，不同錯距下22103 回風(fēng)巷區(qū)域垂直應(yīng)力分布曲線圖6。不同錯距下22103 工作面兩巷垂直應(yīng)力峰值分布如圖7。

圖5 不同錯距下22103 運(yùn)輸巷區(qū)域垂直應(yīng)力分布Fig.5 Vertical stress distribution in 22103 transport roadway at different offsets

圖6 不同錯距下22103 回風(fēng)巷區(qū)域垂直應(yīng)力分布曲線Fig.6 Vrtical stress distribution curves in 22103 return air roadway at different offsets

分析可得：隨著22103 工作面內(nèi)錯距離的增加，22103 運(yùn)輸巷側(cè)的應(yīng)力分布呈增大→減小→再增大→再減小→趨于穩(wěn)定的趨勢，在錯距為20 m 與60 m 時分別呈現(xiàn)2 個應(yīng)力峰值，其中20 m 錯距下應(yīng)力集中程度最高；隨著22103 工作面內(nèi)錯距離的增加，22103 回風(fēng)巷側(cè)的應(yīng)力分布呈先減小后增加的趨勢，其中20 m 錯距下應(yīng)力集中程度最低。

從防沖及巷道穩(wěn)定性角度考慮，應(yīng)將22103 回風(fēng)巷與運(yùn)輸巷均布置在應(yīng)力集中程度較低區(qū)域，在條件無法同時滿足時，應(yīng)使兩巷應(yīng)力水平相當(dāng)，不能布置在明顯的應(yīng)力峰值區(qū)。綜合來看，考慮22103 兩巷應(yīng)力水平的22103 工作面最佳內(nèi)錯距離為80 m。

圖7 不同錯距下22103 工作面兩巷垂直應(yīng)力峰值分布Fig.7 Vertical stress peak distribution of two roadways under 22103 working face with different cross spacing

4.2 30 m 區(qū)段煤柱影響范圍

繪制的30 m 遺留煤柱下方22103 工作面不同錯距條件下的垂直應(yīng)力分布云圖如圖8。

圖8 不同錯距下煤柱區(qū)域垂直應(yīng)力分布云圖Fig.8 Vertical stress distribution in pillar area at different offsets

數(shù)值模型中，上覆遺留煤柱的水平范圍為485～515 m，故取2-2 中煤水平范圍485～515 m 進(jìn)行研究。不同內(nèi)錯距離時22103 工作面垂直應(yīng)力分布曲線如圖9。

圖9 上覆遺留煤柱下22103 工作面垂直應(yīng)力分布曲線Fig.9 Vertical stress distribution curves of 22103 working face under overlying residual coal pillar

由圖9 可知，內(nèi)錯距離從0 m 增大到160 m時，22103 工作面垂直應(yīng)力呈增大→減小→再增大→再減小的趨勢，內(nèi)錯距離為130 m 時應(yīng)力最高，40 m 時應(yīng)力最低，綜合來看：σ(130m)＞σ(100m)＞σ(160m)＞σ(80m)＞σ(20m)＞σ(0m)＞σ(60m)＞σ(40m)（σ 為垂直應(yīng)力）。22103 工作面內(nèi)錯距離與垂直應(yīng)力關(guān)系曲線如圖10。

圖10 22103 工作面內(nèi)錯距離與垂直應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.10 The relationship between the different offsets and the vertical stress in 22103 working face

從防沖及巷道穩(wěn)定性角度考慮，應(yīng)盡可能采用縮短工作面等辦法使22103 工作面避開上覆遺留煤柱的影響區(qū)，但是，如考慮盤區(qū)總體規(guī)劃而不能進(jìn)行縮面的情況下，應(yīng)盡可能將工作面中部布置在上覆遺留煤柱影響程度較低的區(qū)域，由圖10 可以看出，0～80 m 的內(nèi)錯距離下，上覆遺留煤柱的影響水平較低。但是0 m 和20 m 內(nèi)錯距離條件下，煤柱下方的應(yīng)力峰值并不位于煤柱中部，該情況下上覆遺留煤柱整體失穩(wěn)的可能性增大，局部可能出現(xiàn)較高的應(yīng)力集中，在22103 工作面的采動影響下易造成沖擊地壓事故。因此，考慮上覆遺留煤柱影響的22103 工作面最佳內(nèi)錯距離為40～80 m（距中部30 m 遺留煤柱10～50 m）。

4.3 22103 工作面開采對21101 回風(fēng)巷的影響

評估22103 工作面開采對21101 回風(fēng)巷的影響需綜合考慮應(yīng)力與變形兩方面的影響。在應(yīng)力方面，應(yīng)重點(diǎn)分析不同的錯距條件下，21101 回風(fēng)巷圍巖的應(yīng)力大小以及是否處于應(yīng)力升高區(qū)，同時，臨空側(cè)煤柱內(nèi)的彈性核應(yīng)力積聚程度、大小、形態(tài)等特征也會對21101 回風(fēng)巷的沖擊危險性造成影響。在變形方面，重點(diǎn)分析21101 回風(fēng)巷圍巖的塑性區(qū)特征，以此評價巷道圍巖是否已發(fā)生變形破壞，相鄰采空區(qū)頂板是否發(fā)生充分垮落，以及臨空煤柱是否已發(fā)生塑性破壞，從而評價不同錯距條件下21101 回風(fēng)巷圍巖的蓄能條件及沖擊危險性。

不同錯距下21101 回風(fēng)巷垂直應(yīng)力分布云圖如圖11。

圖11 不同錯距下21101 回風(fēng)巷垂直應(yīng)力分布云圖Fig.11 Vertical stress distribution of 21101 return air roadway at different offsets

由圖11 可知，22103 工作面開挖完成后，22101回風(fēng)巷兩幫形成“雙耳”狀應(yīng)力集中區(qū)，其中煤柱一幫應(yīng)力集中區(qū)范圍及程度均遠(yuǎn)高于實(shí)體煤一幫。除0 m 錯距條件下，22103 采空區(qū)與21103 采空區(qū)應(yīng)力集中區(qū)域出現(xiàn)了重疊，其余錯距下，煤柱側(cè)應(yīng)力分布均相對穩(wěn)定。

對云圖中21101 回風(fēng)巷兩幫及30 m 煤柱區(qū)域進(jìn)行繪圖分析，得到的不同錯距下21101 回風(fēng)巷垂直應(yīng)力分布曲線如圖12。根據(jù)經(jīng)典礦壓理論及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，巷道兩幫應(yīng)力集中區(qū)域多位于距煤壁約10 m 范圍內(nèi)，故分別取不同錯距下21101 回風(fēng)巷兩幫煤壁前方10 m 范圍內(nèi)的應(yīng)力峰值進(jìn)行對比分析，繪制的22103 工作面內(nèi)錯距離與21101 回風(fēng)巷兩幫垂直應(yīng)力關(guān)系曲線如圖13。

圖12 不同錯距下21101 回風(fēng)巷垂直應(yīng)力分布曲線Fig.12 Vertical stress distribution curves of return air passage 21101 with different cross spacing

圖13 22103 工作面內(nèi)錯距離與21101 回風(fēng)巷兩幫垂直應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.13 The relationship between the different offsets of 22103 working face and the vertical stress of 21101 return air roadway

由圖12 分析可知，內(nèi)錯距離從0 m 增大到160 m 時，22101 回風(fēng)巷兩幫垂直應(yīng)力均呈減小→增大→再減小的趨勢，在內(nèi)錯距離增大到40 m 之后，圍巖增大及減小的趨勢均趨于穩(wěn)定。煤柱一幫垂直應(yīng)力峰值整體高于實(shí)體煤一幫。綜合來看，從應(yīng)力角度考慮，22103 工作面最佳內(nèi)錯距離宜大于80 m。當(dāng)內(nèi)錯距離取160 m 時，下工作面開采對21101 回風(fēng)巷的影響最低。

圍巖塑性區(qū)特征可較準(zhǔn)確反映煤巖體的受力狀態(tài)及破壞情況。不同錯距下21101 回風(fēng)巷塑性區(qū)范圍分布圖如圖14。

圖14 不同錯距下21101 回風(fēng)巷塑性區(qū)范圍分布圖Fig.14 Distribution diagram of plastic zone of return air passage 21101 with different offsets

由圖14 分析可知，內(nèi)錯距離從0 m 增大到160 m 時，22101 回風(fēng)巷兩幫及21102 采空區(qū)圍巖剪破壞區(qū)呈先增大后減小的趨勢，對應(yīng)圍巖的彈性能量呈積聚→釋放→再積聚的規(guī)律。當(dāng)工作面內(nèi)錯距離小于40 m 時，21101 回風(fēng)巷附近圍巖多處于彈性狀態(tài)，易形成較高的彈性能量積聚；當(dāng)工作面內(nèi)錯距離為40～100 m 時，21101 回風(fēng)巷及21102 采空區(qū)出現(xiàn)較大面積的張拉及壓減破壞區(qū)，圍巖內(nèi)積聚彈性能得到有效釋放；當(dāng)工作面內(nèi)錯距離為130～160 m時，21101 回風(fēng)巷及21102 采空區(qū)塑性區(qū)范圍逐漸減小，圍巖開始出現(xiàn)新的彈性能量積聚。

綜上，從變形角度考慮，22103 工作面最佳內(nèi)錯距離取40～100 m 時，下工作面開采對21101 回風(fēng)巷的影響最低。

5 結(jié) 論

1）從2-1 煤層開采對22103 兩巷的卸壓程度來看，22103 工作面最佳內(nèi)錯距離為80 m。

2）從上覆遺留煤柱的影響范圍來看，22103 工作面最佳內(nèi)錯距離為40～80 m。

3）從22103 工作面開采對21101 回風(fēng)巷應(yīng)力的影響程度考慮，22103 工作面最佳內(nèi)錯距離宜大于80 m，當(dāng)內(nèi)錯距離取160 m 時，下工作面開采對21101 回風(fēng)巷的影響最低。

4）從22103 工作面開采對21101 回風(fēng)巷變形的影響程度考慮，22103 工作面最佳內(nèi)錯距離為40～100 m。

5）綜合4 種不同的角度，對影響范圍取交集計(jì)算，建議22103 首采工作面的最佳內(nèi)錯距離取80 m。