近距離煤層巷道布置數值模擬研究

裴 斌

（山西省晉神能源生產服務中心，山西 忻州 034000）

近距離煤層在回采時，上煤層回采引起工作面回采區域內圍巖應力的重新分布，不僅造成區域內煤層應力集中，而且造成底板巖層巷道或近距離下煤層巷道變形加劇，巷道兩幫與頂板接觸面之間的內摩擦角和粘結系數變小，不易形成穩定結構。因此，上下煤層工作面的位置關系與回采巷道布置問題是近距離煤層高效開采急需解決難題之一。

1 工程概況

晉神能源沙坪煤礦13#煤層上部存在8#煤層采空區，8#煤層底板距13#煤層頂板平均為50.5m，8#煤層采空區遺留煤柱可能會給13#煤層回采巷道的穩定性帶來影響。根據礦山壓力傳遞規律，上煤層區段煤柱所形成支承壓力在底板巖層內將有一定的傳遞范圍，而且隨遠離煤層而逐漸衰減。因此，13號煤層工作面巷道應布置在支承壓力影響線之外，才能避開8號煤煤柱集中應力的影響，如圖1所示。根據圖1，13#煤工作面巷道內錯距離Ln為：

Ln≥(h1+h2)tanφ

式中：

Ln-8#煤區段煤柱邊界與13煤工作面巷道的水平間距，m；

φ-應力傳播影響角，20°；

h1-8煤與13煤間巖層厚度，按最小50m；

h2-13煤煤層厚度，16.84m。

經計算得Ln≥19m，即13#煤巷道應內錯至少19m布置。

2 13#煤巷道布置方式模擬分析

為了分析合理的13#煤巷道布置方式，采用FLAC3D數值模擬軟件研究8#煤回采動壓影響下的13#煤巷道布置方式問題。

區段煤柱的兩側分別是兩個相鄰的8#煤回采工作面，8#煤層回采遺留煤柱寬度設為20m，采用的內錯距離方案如下：0m、15m、25m、35m等共4個方案。根據模擬結果，13#煤巷道與8#煤煤柱間應力分布情況如圖2所示。

分析圖2可知受區段煤柱集中應力的影響。13#煤巷道與煤柱水平錯距越大，巷道深部圍巖所處的應力越低。當13#煤巷道布置在煤柱的正下方時，巷道深部圍巖應力處于4MPa應力區域；當13#煤巷道內錯煤柱中心線25m布置時，巷道深部圍巖應力降低至2MPa；當13#煤巷道內錯煤柱中心線35m布置時，巷道深部圍巖應力降低至1MPa以內，此時巷道避開了煤柱下方的高應力區，進入一個應力相對較低的區域，隨著13#煤巷道與煤柱中心線內錯距離的進一步增大，周圍應力環境已無太大變化。

因此，在8#煤煤柱集中應力的影響下，13#煤巷道合理布置的方式應該是內錯于煤柱中心線25m的距離，內錯于煤柱邊界15m的距離，使煤柱位于13號煤層工作面上方。

圖2 區段煤柱應力分布狀態圖

3 13#煤層區段煤柱寬度

為了分析合理的煤柱寬度留設，采用FLAC3D數值模擬軟件研究區段煤柱寬度留設問題。

區段煤柱的兩側分別是兩個相鄰的13#煤回采工作面。

模擬采用的各巖層根據沙坪煤礦13#煤柱狀圖建立。本次模擬底板厚度為20m，煤層厚度為17m。區段煤柱寬度留設采用的方案如下：6m、10m、15m、20m、25m、30m等共6個方案。區段煤柱的破壞狀態分析如圖3所示。

分析圖3可知，受工作面回采影響，煤柱兩側內部塑性區破壞范圍均達到2m，至煤柱寬度為20m時，塑性破壞區沒有連通，煤柱繼續減小時，塑性破壞導致的煤壁變形急劇增加。從破壞區域來看，15m煤柱兩側塑性破壞區已經徹底貫通，區段煤柱在下一個工作面回采前能夠保持煤柱內部未產生塑性區破壞的最小煤柱寬度可參考區段煤柱的模擬結果，即不小于20m，可以滿足煤柱長期保持相對完好，不產生煤柱的整體失穩。

圖3 區段煤柱破壞狀態圖

統計分析區段煤柱內的應力分布情況如圖4。煤柱寬度從40m降低至12m時，區段煤柱內的應力分布仍呈現雙峰狀，到煤柱寬度低于12m后，煤柱內的應力分布呈現單峰狀。不同寬度區段煤柱內，應力集中水平和煤柱內應力水平隨區段煤柱寬度減小呈現先升高后降低的趨勢。分析后期應力集中降低的原因，認為是整個煤柱發生了塑性破壞所致。

從圖4中可見，煤柱寬度不小于20m時，區段煤柱彈性核區寬度可以達到8m，滿足煤柱穩定性要求；煤柱寬度為15m時，支承壓力峰值區開始疊加，煤柱彈性核區應力明顯增大；煤柱寬度12m時，應力集中峰值與較大煤柱寬度相比差別不大，應力集中系數基本維持在1.45～1.86，但煤柱寬度10m以后的應力峰值迅速降低，應力集中系數迅速降低至1.08左右。分析煤柱寬度10m以下時煤柱應力的變化，認為煤柱在10m以后發生了塑性破壞導致應力分布發生急劇變化所致。分析可見，從煤柱核區寬度角度，區段煤柱寬度應不小于20m，再加上兩側塑性區寬度5m，13#煤工作面合理區段煤柱寬度為25m。

圖4 不同寬度區段煤柱應力分布圖

4 結論

（1）在8#煤煤柱集中應力的影響下，13#煤巷道內錯于煤柱中心線25m，內錯于煤柱邊界15m，使8#煤煤柱位于13號煤層工作面上方。

（2）從煤柱核區寬度及兩側塑性區寬度角度考慮，13#煤工作面合理區段煤柱寬度為25m。