上覆及側向采空條件下近距離煤層沿空巷道布置研究

2014-04-02 05:21:38于世波

中國礦業 2014年5期

楊軍，于世波

(1.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083；2.中國礦業大學(北京)深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京 100083；3.北京礦冶研究總院礦山工程研究設計所，北京 100070)

近年來，隨著煤炭需求量的增加，以及煤炭資源的大量開采，地質條件復雜、開采難度較大的近距離煤層開采已成為必然。我國近距離煤層賦存和開采所占的比重很大，許多煤礦和大多礦區都存在近距離煤層開采的問題[1-2]，大量的近距離煤層的開采引起許多急需解決的重要工程技術難題。其中，相鄰多工作面開采下的沿空巷道的圍巖穩定性控制是一個亟待解決的問題。國內外專家分別從沿空巷道布置方式[3-9]、近距離煤層的破壞現象[10-11]、沿空巷道控制對策[12]等方面進行了研究。

本文針對南屯煤礦93下05工作面上覆及側向采空條件下的特殊情況，采用數值模擬的方法，研究相近多工作面開采后近距離煤層沿空巷道的布置問題。

1 93下05工作面工程地質條件

1.1 地層巖性

南屯煤礦含煤地層均為上石炭統太原組和下二疊統山西組，其中九采區內的含煤可采煤層為二疊系山西組3上層煤和3下層煤，3上A層煤。其中，3上A層煤為局部可采，而3上層煤已基本采完，現主要開采3下煤層。

1.2 地質構造

93下05綜采工作面為一單斜構造，煤層走向北西-南東向；煤層平均傾角為13°，工作面標高-399.4～-530m。據相鄰工作面巷道及揭露資料顯示，該工作面地質構造復雜，在掘進過程中預計將揭露22條斷層，其中3F209斷層(H=2.0m左右)斷層落差較大，將給正常掘進造成一定的影響。

1.3 93下05工作面位置

93下05工作面位于93上05工作面(已于2006年01月停采)下方(圖1)，左側為原9307工作面(已于2003年11月停采)，工作面右上方為93上03工作面(已于2008年03月停采)。間隔夾矸厚度在2.32～6.19m之間，平均為4.6m，是典型的近距離煤層，并且93下05工作面處于上覆93上05采空區及側向93下07采空區多工作面采動后的作用下，并在回采期間還將受到本工作面回采的劇烈影響。以下結合本工作面的具體工程地質條件，采用數值模擬的方法研究上覆及側向采空形成的多工作面動壓疊加下93下05工作面沿空巷道的合理位置。

圖1 93下05工作面位置示意圖

2 多工作面開采動壓疊加分布規律

2.1 回采順序及模型建立

回采的先后順序為：9307工作面(2003年11月停采)→93上05工作面(2006年01月停采)→93上03工作面(2008年03月停采)→93下05工作面。

工程地質模型在ANSYS軟件中生成，通過相關的接口程序將模型導入FALC3D中。本次研究的模型計算范圍為長×寬×高=570m×300m×120m，共劃分185300個單元，193902個節點，工程地質模型如圖2所示。該模型側面限制水平移動，底部固定，模型上表面為應力邊界，施加的荷載為12.5MPa，模擬上覆巖體的自重應力。材料破壞符合Mohr-Coulomb強度準則。

圖2 工程地質模型

工作面推進速度根據現場實際情況確定推進步距為6.0m，工作面側模擬錨桿的cable單元隨著工作面的推進逐步拆除。為了模擬綜采全過程，將采空區冒落的矸石考慮為一種松散介質。工作面每推進6.0m、運算每500時步記錄一次計算結果。由于工作面的不斷推進，采空區和垮落區始終處于運動和變化之中，致使計算過程中需要不斷變換垮落區材料單元的力學參數和垮落區域。

2.2 側向工作面開采后應力分布規律

通過圖3可以看出，側向9307工作面回采后，底板巖層中形成四個礦壓顯現區，分別為應力增高區、應力降低區、影響微弱區、原巖應力區，其礦壓顯現規律跟普通單側開采的礦壓顯現規律類似。由于巖層為傾斜巖層，單側開采后，在煤巖體側形成側向支承壓力峰值區域；峰值應力向底板深處傳播和衰減，傳播方向與垂直方向成20°夾角。

圖3 9307工作面開采后側向垂直應力分布

2.3 上覆工作面開采后底板疊加應力分布規律

9307工作面與93上05工作面之間留有5m的區段煤柱。93上05工作面開采后，在煤柱附近應力場產生疊加，最大垂直應力為41.0MPa，側向壓力集中系數達到3.28，側向支承壓力較大，對于后期3下煤層開采時沿空巷道的維護帶來困難。由圖4可以看出，近距離煤層9307與93上05之間的區段煤柱疊加應力通過煤柱在底板中傳播不是沿著煤柱方向，也不是沿著垂直于煤層底板方向，而是沿著與煤柱方向呈一定夾角的方向傳播，與煤柱中心線角度為5°，偏93下05工作面方向。而且應力等值線并不是沿著傳播方向兩邊對稱。底板中的疊加應力以煤柱向底板傳遞，在底板中呈現“泡形”擴散分布。

2.4 93上03工作面開采對沿空巷道附近應力分布規律影響分析

通過圖5可以看出，93上03工作面回采后，93下05工作面沿空側側向支承集中系數為3.27，略小于93上05工作面回采后的側向壓力集中系數3.28。因此93下05工作面沿空側附近的應力分布規律受93上03工作面開采的影響甚微，從疊加應力分析方面，不足以影響93下05工作面沿空巷道布置位置。

3 沿空巷道位置布置優化分析

通過以上分析，可以得出圖6所示的3下煤底板最終垂直應力分布圖。

1)9307工作面開采后側向應力集中系數達到2.1，峰值位置位于離9307采空區煤壁9.1m處。

2)93上05及93上03工作面開采后沿空巷道附近3下煤底板的垂直應力集中系數達到2.6，出現在離9307采空區煤壁2.9m處，應力峰值位置由距9307采空區煤壁9.1m處轉移到距9307采空區煤壁2.9m處，主要原因是受到側向9307采空區及上覆93上05采空區之間區段煤柱的影響，且由于多工作面開采引起的應力增高區域達到19.6m。

3)根據以上分析并結合兗州礦區沿空巷道的位置選擇經驗，將沿空巷道留設在距9307采空區下幫側煤壁6～10m的范圍，此范圍避開了應力的峰值區域，并且此種煤柱留設方式煤柱損失較小，滿足煤柱煤體不發生采空區漏風、誘發自燃的要求。現場采用6m的煤柱，巷道采用錨網+工字鋼支護，經過掘進及回采期間的檢驗，能夠滿足巷道的穩定性要求。