極近距離煤層下煤層回采巷道內錯布置合理錯距的研究

元永國

（遼源職業技術學院，吉林 遼源136201）

極近距離煤層開采時，由于層間距較小，上煤層的開采對下煤層開采影響嚴重，這種極近距離煤層在我國廣泛分布［1－2］。由于上煤層的開采破壞了下部煤層頂板的完整性，且上部煤層回采后煤體邊緣集中應力向底板傳遞［3］，使得下煤層回采巷道位置的布置成為一個難題。大量理論分析認為，下煤層的回采巷道內錯布置在上煤層采空區下方的應力降低區內為好［4－7］，但下煤層回采巷道具體布置在什么位置需要根據實際的開采條件而定。本文根據某煤礦層間距為5.32m極近距離煤層實際地質條件，采用理論計算確定下煤層回采巷道的合理位置，運用數值模擬方法研究下煤層回采巷道布置在不同位置時的巷道受力情況，確定極近距離下煤層回采巷道內錯布置的合理錯距。

1 工作面地質條件

該煤礦極近距離煤層平均層間距為5.32m，上煤層平均厚度為1.12m，直接頂為K2灰巖，底板為泥巖、砂質泥巖，該煤層為穩定全區可采煤層；下煤層平均厚度為4.23m，煤層頂板為泥巖、砂質泥巖，底板為泥巖、砂質泥巖，該煤層為井田穩定可采煤層。

2 理論計算分析

內錯式布置是指下部煤層回采巷道位于上部煤層采空區內，但在距上部煤層采空側邊緣一定范圍內的應力仍高于原巖應力，對下煤層回采巷道的穩定有一定的影響。一般認為下煤層回采巷道應布置在采空區內的應力降低區。借鑒土力學中地基的計算方法和采場礦壓理論［8］，建立極近距離煤層下回采巷道內錯式布置合理錯距計算模型（圖1）。

圖1 下煤層回采巷道內錯距理論模型

圖中Ⅰ區為主動應力區，∠CAB與∠CBA表達式及關系見式（1）。

式中：φ表示內摩擦角。

Ⅱ區為過渡區，CD是以B為原點的對數螺線，其方程見式（2）。

式中：r為以B為原點與r0成α角處的螺線半徑；BC長度r0；r與r0夾角α。

Ⅲ區為被動應力區，∠DBE與∠DEB表達式及關系見式（3）。

BF長度為底板過渡區的邊界長度，由圖可知BF段底板應力下煤層回采巷道影響較大。鑒于此，內錯式布置巷道應避開BF段。

根據上述模型，極近距離煤層開采下煤層回采巷道內錯式布置合理錯距見式（4）。

同樣根據已有極限平衡區寬度x0，利用式（1）～（3）。可以得出求解BF段長度的方程組，見式（5）。解析解見式（6）。

則有式（7）。

取煤層內摩擦角φ為30°；內聚力Cm為2.3MPa，巖層移動角δ為50°；應力集中系數K為2；煤巖層面間的摩擦系數f為0.3；上覆巖層平均體積力γ25kN／m3；兩煤層平均層間距為5.32m；煤層平均埋深H取值為300m；9號煤層采高m取1.12m。將各參數代入減壓區布置錯距理論公式（式（7））中得到以下結果。

故該礦極近距離煤層開采下煤層回采巷道內錯式布置合理錯距為大于6.31m。

3 數值模擬研究

3.1 數值模型

數值模擬采用FLAC3D，采用莫爾－庫倫準則以某礦極近煤層具體開采條件為背景，建立數值模型。上煤層平均埋深300m，下煤層距上煤層5.32m，模擬煤巖層物理力學參數見表1。

模擬模型上煤層厚度、頂板厚度及底板厚度分別為1.12m、42.09m、31.49m、之和為74.7m；在工作面推進方向始末端各留30m實體煤，工作面推進長度為200m，則模型的長度為260m；模擬上煤層工作面長度為150m，由于對稱性取工作面長度75m，在模型兩端留30m煤柱，模型寬度為210m。約束模型四個側面的水平位移，約束模型底部水平位移和垂直位移。模型上部加載的均布荷載，按巖層平均容重2.5MPa／100m及模擬埋深300m計算。

3.2 模擬過程

模型建好后，首先計算初始應力場至平衡，接著開挖上煤層工作面，計算平衡后，調取數據分析下煤層沿工作面長度方向頂板應力分布情況；再開挖下煤層工作面回采巷道，尺寸為寬×高＝4m×3.6m，并支護，計算平衡后，分析上煤層采空區下方下煤層回采巷道分別距上煤層煤體邊緣水平距離5m、6m、8m、12m、15m時巷道的受力情況。

表1 煤巖層物理力學參數

3.3 模擬結果分析

3.3.1 上煤層回采后下煤層頂板應力分布規律

圖2給出了上煤層回采后下部煤層頂板應力在工作面長度方向上的分布曲線。由圖2可以看出：上煤層回采后在煤體側或煤柱正下方底板煤巖層中形成了應力升高區，且隨著遠離上部煤層垂直應力逐漸降低，直至恢復到原巖應力。而在采空側距上部煤體邊緣2m以外內形成了應力降低區，在距采空側距上部煤體邊緣6～15m范圍內垂直應力變化不大，比較穩定；水平應力在采空側先升高后降低，在采空側距上部煤體邊緣15m以外水平應力變化平緩逐漸恢復到原巖應力。

圖2 上煤層回采后下煤層頂板沿應力分布曲線

圖3 距煤體邊緣不同距離時巷道兩幫腰線處受力分布曲線

3.3.2 下煤層回采巷道距煤體邊緣不同距離時巷分析道受力

圖3給出了距煤體邊緣不同距離時巷道兩幫腰線處距巷道中心線20m范圍內的受力分布曲線，由圖3可知：巷道在距煤體邊緣5m處巷道兩幫腰線處的垂直應力峰值不同，水平應力分布一樣，巷道受力不平衡，可能導致巷道支護困難，而巷道布置在6m及6m以外的地方，巷道受力基本相同，與距煤體邊緣的距離遠近關系不大。

4 結 論

1）借鑒土力學中地基的計算方法和采場礦壓理論，建立極近距離煤層下回采巷道內錯式布置合理錯距計算模型，計算得該礦極近距離煤層開采下煤層回采巷道內錯式布置合理錯距為大于6.31m。

2）數值計算結果分析可知，該礦極近距離煤層上煤層回采后，下煤層巷道在距煤體邊緣5m處巷道兩幫腰線處的垂直應力峰值不同，水平應力分布一樣，巷道受力不平衡，可能導致巷道支護困難，而巷道布置在6m及6m以外的地方，巷道受力基本相同，與距煤體邊緣的距離遠近關系不大，下煤層回采巷道內錯式布置合理錯距為大于等于6m。

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