極近距離煤層群下煤層開采巷道布置錯距優化模擬分析

王 麗 翟志華

(1. 呼倫貝爾學院工程技術學院，內蒙古自治區呼倫貝爾市，021008；2. 匯永控股集團有限公司鄂爾多斯市分公司，內蒙古自治區鄂爾多斯市，017000)

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極近距離煤層群下煤層開采巷道布置錯距優化模擬分析

王 麗1翟志華2

(1. 呼倫貝爾學院工程技術學院，內蒙古自治區呼倫貝爾市，021008；2. 匯永控股集團有限公司鄂爾多斯市分公司，內蒙古自治區鄂爾多斯市，017000)

以內蒙古鄂爾多斯色連一礦為工程背景，運用FLAC 3D數值模擬軟件，通過分析2-2煤層(上煤層)開采對3-1煤層(下煤層)的影響來判定3-1煤層巷道錯距的取值范圍，然后對該錯距范圍內的巷道布置做進一步數值模擬分析。通過建立內錯5 m、7 m、9 m、11 m四種模型，從應力及塑性區分布規律的角度入手，最終確定當巷道內錯11 m，即3-1煤層中間煤柱42 m時較合理。數值模擬結果在現場得到了驗證。

近距離煤層 巷道錯距 布置優化 數值模擬

煤炭作為我國的主要化石能源，在未來較長一段時間內其主導地位不會被動搖，保證煤礦安全開采對煤炭行業的可持續發展以及我國經濟的長期穩定具有重要意義。近些年對近距離甚至極近距離煤層群開采的研究已經成為煤層開采研究的熱點，與普通煤層開采相比，由于上煤層采動應力影響以及預留煤柱的應力集中，使將要開采的下煤層頂板受到不同程度破壞。

近距離煤層群在我國分布較廣泛，許多礦區，如大同礦區、淮南礦區等都存在近距離煤層群開采過程中巷道的穩定性問題。所以，有必要在進行施工之前先對煤層群進行數值模擬分析，得出基本規律后再結合工況考慮綜合因素對煤層開采進行有關設計，從而提高安全性和可靠性。

本文以內蒙古鄂爾多斯色連一礦近距離煤層群下煤層開采為工程背景，在實際地質概況基礎上，利用三維數值模擬軟件FLAC 3D，對下行式開采時下煤層巷道布置錯距進行了模擬及優化分析。

1 地質概況

色連一礦位于內蒙古礦區，礦井開采方式為下行式開采，目前2-2煤層(上煤層)已基本開采完成，要進行3-1煤層(下煤層)的開采設計。其中， 3-1煤層與2-2煤層間距為9.45～15.72 m，平均為12.83 m，3-1煤層綜采工作面長度預計為260 m，煤層結構較簡單，煤層沉積穩定，屬穩定煤層。煤層頂底板巖石主要為砂質泥巖、細粒砂巖、粉砂巖，其次為粗粒砂巖。煤層具體賦存條件如圖1所示。

圖1 煤層及頂底板巖層性質柱狀圖

2 模型建立

2.1 模型簡化

為了簡化模型，提高工作效率，在對結果影響很小的基礎上將模型簡化為水平巖層布置。模型總尺寸為680 m×100 m×308.6 m，從下至上依次為80 m厚的下層巖體、20 m厚的砂質泥巖、3 m厚的3-1煤層、2 m厚的粉砂巖、3.6 m厚的2-2煤層、1 m厚的泥巖、26 m厚的砂質泥巖和最上層180 m厚的上覆巖體至地表，數值模型如圖2所示。模型的前后左右被法向固定，下部3個自由度均固定，上部不固定，重力加速度取-10 m/s2。

圖2 極近距離煤層下煤層開采FLAC 3D模型

2.2 網格劃分

模型網格的劃分需要基于精確和簡便的雙重原則，網格尺寸(Y×X)為5 m×4 m；將中間煤柱及巷道周圍的網格細化，在X方向單元長度為1 m，使得受力研究的單元變多，在研究塑性區、應力和位移時取點變多，從而使模擬結果更加精確，如圖3所示。

圖3 模型網格細化圖

3 巷道布置初步分析

本文首先通過分析上煤層開采對3-1煤層(下煤層)的影響來判定3-1煤層巷道錯距取值范圍，然后對巷道布置的錯距做進一步數值模擬分析，為工程實際提供參考。

2-2煤層開挖回填后，接下來需要模擬的是3-1煤層的開挖，3-1煤層模擬的順序為先開挖巷道，再開挖工作面，并且在開挖工作面時要按照實際要求分步開挖，每次開挖8 m，以提高運算精確度。3-1煤層巷道尺寸為5 m×70 m×3 m，開切眼尺寸為5 m×260 m×3 m。由上述分析可知，2-2煤層在采空區形成后，會形成一定范圍的應力增高區和應力降低區。

在模型的中部位置，選取垂直于巷道走向的剖面分析中間煤柱兩邊巷道的應力，并做出應力等值線圖，綜合分析得出巷道布置大致范圍。3-1煤層豎向應力曲線圖見圖4。

圖4 3-1煤層豎向應力曲線圖

在建立模型時，3-1煤層原巖應力F的計算式如下：

F=ρgH

(1)

式中：ρ——巖體密度，取1000 kg/m3；

g——重力加速度，取10 m/s2；

H——煤層埋深，取208.6 m。

由式(1)可以得出，3-1煤層原巖應力大致為2 MPa。

由圖4可知，在2-2煤層開挖完以后，在中間煤柱處出現了很大的應力集中，應力集中系數約為16，在2-2工作面回填后，由于材料賦值較差，出現了應力降低區甚至出現應力為0的現象。在3-1煤層中間50 m范圍內有較大的豎向應力集中，由于模型對稱可知巷道大約在內錯5 m時，豎向應力大約為2倍原巖應力,但是在內錯大于15 m時，可以看出3-1煤層的應力變得很低。從巷道布置來說，應力越小開挖時巷道穩定性越強，支護成本越低，但是當內錯距過大時，中間煤柱越大，浪費越嚴重，所以,要綜合考慮各個因素，得出最佳錯距值。

3-1煤層水平應力和剪切應力曲線圖分別見圖5和圖6。由圖5和圖6可以看，水平應力和剪切應力在距離中間煤柱中線25 m，即距離2-2煤柱水平距離15 m以后同樣應力變得很低，圍巖穩定性較好。

模型豎向應力等值線局部放大圖見圖7。由圖7可以看出在煤柱中間會出現明顯的應力集中，在煤柱下側，應力等值線呈傾斜分布，這正是應力傳播角所導致的，而在3-1煤層同一橫坐標處，隨著煤夾層粉砂巖的變厚，豎向應力明顯減小，并且最大應力集中系數也變為12。

圖5 3-1煤層水平應力曲線圖

圖6 3-1煤層剪切應力曲線圖

圖7 模型豎向應力等值線局部放大圖

綜上所述，選擇內錯5 m、7 m、9 m、11 m四種模型進行接下來的模擬分析。

4 不同錯距模擬結果及分析

在進行具體巷道錯距比較的時候，選取內錯距為5 m、7 m、9 m、11 m四種方案進行模擬，主要研究回采巷道開挖后巷道圍巖塑性區總面積和巷道圍巖豎向應力分布情況。

4.1 不同錯距巷道圍巖豎向應力結果分析

由于需要更加清晰的定位局部應力的大小范圍，將數據導入到Tecplot，并添加了網格對各個煤層和巖體進行清晰定位。模型內錯5 m、7 m、9 m、11 m時巷道圍巖豎向應力等值線圖見圖8。

圖8 模型內錯5 m、7 m、9 m、11 m時巷道圍巖豎向應力等值線圖

由圖8可以看出，當巷道內錯5 m時，豎向應力等值線在巷道處出現了彎曲，這是因為巷道周圍出現了一定的應力增高區，大約為2～4 MPa；當巷道內錯7 m時，豎向應力等值線彎曲面積變小，部分出現應力增高，但是數值變化不明顯；當巷道內錯9 m時，豎向應力基本恢復到原巖應力，豎向應力集中現象不太明顯；當巷道內錯11 m時，變化不明顯，說明再繼續增加內錯距已沒有意義且會增加煤資源浪費。在綜合考慮到安全系數的基礎上，選擇內錯11 m較合理。

4.2 不同錯距巷道圍巖塑性區結果分析

模型內錯5 m、7 m、9 m、11 m巷道圍巖塑性區圖分布如圖9所示。由圖9可知，在巷道開挖以后，周圍的部分圍巖會出現不同程度破壞。當巷道內錯5 m時，由于巷道開挖而使得圍巖出現的塑性區面積為30 m2，可以看出圍巖破壞面積較大，巷道不穩定，支護難度大。當巷道內錯7 m時，由于巷道開挖而使得圍巖出現的塑性區面積為26 m2，可以看出圍巖破壞面積還是比較大，巷道仍然不穩定，支護難度大。當巷道內錯9 m時，由于巷道開挖而使得圍巖出現的塑性區面積為20 m2，可以看出圍巖破壞面積減少較多，巷道穩定性增高，但是塑性區仍然不合理，支護難度比較大。當巷道內錯11 m時，由于巷道開挖而使得圍巖出現的塑性區面積為15 m2，可以看出圍巖破壞面積趨于合理，巷道較穩定，并且在巷道周圍圍巖塑性區基本保持在2 m以內，在工程實際中可以符合支護要求，錯距較合理。

綜上所述，當巷道內錯11 m，即3-1煤層中間煤柱42 m時較合理。

圖9 模型內錯5 m、7 m、9 m、11 m巷道圍巖塑性區圖

5 現場圍巖變形監測

在以上數值模擬分析的基礎上，為了進一步驗證模擬結果的可靠性，在現場對3-1煤層的首采面2311工作面回采巷道的兩幫及頂底板移近量進行了監測。

在3-1煤層的2311工作面回采巷巷內布置2個測區，即每條回采巷道各布置一個測區，每個測區布置10個觀測點，觀測點間距為20 m，觀測區域的范圍為200 m，以此來監測回采巷道兩幫及頂底板移近量，如圖10所示。巷道頂板移及兩幫移近量如圖11所示。

圖10 現場監測的測點布置示意圖

圖11 巷道頂板移及兩幫移近量平均值

由圖11可知，回采巷道頂底板和兩幫移近量的變化趨勢基本相同；在工作面推進至50 m時，變形量迅速增加；當工作面推進100 m左右時，變形量基本趨于穩定；巷道頂底板的變形量約為220 mm，兩幫變形量約為170 mm，該變形量在巷道允許變形范圍內。

頂底板的變形量明顯高于兩幫變形量，主要原因是上煤層的應力集中作用主要集中于垂向方向，因此在必要時可對頂板加強支護。

6 結論

通過分析2-2煤層(上煤層)開采對3-1煤層(下煤層)的影響來判定3-1煤層巷道錯距的取值范圍，然后對錯距為5 m、7 m、9 m、11 m的四種模型的巷道布置做進一步數值模擬分析，最終確定當巷道內錯11 m，即3-1煤層中間煤柱42 m時較合理。根據數值模擬結果，在3-1煤層首采面進行了回采巷道頂底板及兩幫移近量的監測，監測結果驗證了該數值模型的可靠性。該數值建模及分析過程可為類似情況下的工程實際提供參考。

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Simulationanalysisofstaggereddistanceoptimizationofminingroadwaysatlowerseamofultra-closedistancecoalseams

Wang Li1, Zhai Zhihua2

(1. Engineering and Technology Institute， Hulunbuir College, Hulunbuir, Inner Mongolia 021008, China; 2.Ordos Branch Company of Huiyong Holding Group Co., Ltd., Ordos, Inner Mongolia 017000, China)

Taking Selian No. 1 Mine in Ordos, Inner Mongolia as the engineering background, through using FLAC 3D numerical simulation software and analyzing the influence of upper 2-2 seam mining on lower 3-1 seam mining, the value range of staggered distance of 3-1 seam roadways was determined, and drift layout within the range of staggered distance was further simulated and analyzed. The authors built numerical models with four different staggered distance, 5 m, 7 m, 9 m or 11 m, and analyzed from the distribution law of stress and plastic zone. The results showed that when the staggered distance was 11 m or the width of middle coal pillar of 3-1 coal seam was 42 m, the roadway layout scheme was more reasonable, and the results were verified in the site.

close-distance coal seams, roadway staggered distance, layout optimization, numerical simulation

王麗，翟志華. 極近距離煤層群下煤層開采巷道布置錯距優化模擬分析[J]. 中國煤炭，2017,43(12)：85-90.

Wang Li, Zhai Zhihua. Simulation analysis of staggered distance optimization of mining roadways at lower seam of ultra-close distance coal seams [J]. China Coal, 2017, 43(12):85-90.

TD821.2

A

王麗(1967-)，女，內蒙古海拉爾人，副教授，高級工程師，主要從事采礦及礦產資源開發方面的教學與研究工作。

(責任編輯 郭東芝)