多次采動影響下回采巷道合理布置位置數值模擬分析

任欣 袁仕松 彭首清

摘 要：針對多次采動影響下近距離煤層群開采回采巷道圍巖控制的問題，采用UDEC數值模擬方法，設計三種模擬方案：方案一：實體煤側距上部煤層開采邊緣17m處布置巷道;方案二：實體煤側距上部煤層開采邊緣47m處布置巷道;方案三：采空區側距上部煤層開采邊緣16m處布置巷道。通過對比分析了不同應力區域中巷道垂直應力和表面位移，并綜合分析各因素，原巖應力區和卸壓區中布置巷道是切實可行的的方案，其中以卸壓區布置方案三最為理想。

關鍵詞：采動影響;近距離;煤層群;巷道布置;數值模擬

0引言

對于煤層群開采，隨著煤層間距離減小，上下煤層間開采的相互影響會逐漸增大，特別是當煤層間距很近時，下部煤層開采前頂板的完整程度已受上部煤層開采損傷影響，其上又為上部煤層開采垮落的矸石，且上部煤層開采后殘留的區段煤柱及一側采空的煤體在底板形成的集中應力，導致下部煤層開采區域的頂板結構和應力環境發生變化。從而使下部煤層開采與單一煤層開采相比出現了許多新的礦山壓力現象。因此，研究近距離煤層群下部煤層回采巷道布置及圍巖控制技術，對于近距離煤層群的安全高效開采具有重要意義。

某典型煤礦屬于高瓦斯近距離煤層群開采條件，其北翼3+4號煤層24208回風巷（原膠帶巷）存在巷道位置布置及支護參數不合理的情況，致使3+4號煤層24208回風巷（原膠帶巷）受上部2號薄煤層保護層22201回采工作面開采的采動影響，巷道礦壓顯現強烈，制約著生產工作的順利進行。因此，以某礦北翼22201工作面及24208回風巷（原膠帶巷）地質條件為基礎，開展近距離煤層群下部煤層回采巷道布置及圍巖控制技術研究，對保證安全高效生產及工作面順利接替具有重大意義。

1 工程概況

某煤礦井田4.5～8km的傾斜寬度，走向長22km，面積約135km2，設計生產能力3.0Mt/a，后經過技術改造生產能力提升為5.0Mt/a。礦井以兩個水平開拓全井田，一水平開拓山西組2、3、4、5號煤，水平標高+400m，二水平開拓太原組6、8、9、10號煤。礦井目前生產水平為+400m水平。礦井北翼2、3+4、5號煤層屬于近距離煤層群，24208工作面為北二采區第八個沿煤層傾向布置的長壁式回采工作面。其東面至北軌大巷;南面為正在回采的24207工作面;開拓區在西部;2#煤上方正在開采，22201工作面為首采工作面。

2回采巷道合理位置數值模擬分析

2.1 數值模型構建及方案設計

UDEC 4.0能夠分析研究直接和不連續特征相關的潛在的巖體破壞方式，可以較準確地分析煤層開采造成的覆巖運動及破壞規律。以某煤礦北翼24208工作面綜合柱狀圖為參照，建立現場二維數值計算模型。為消除模型尺寸太小對模擬結果準確性的影響，根據現場工作面實際施工情況，將模型尺寸設計為660×47.9m的長方形平面模型，如圖1所示。模型采用摩爾—庫侖模型且僅受重力作用，模型邊界條件采用位移固定邊界，其中兩側邊界為單向約束，底部為雙向約束。根據現場實際上邊界載荷按采深514m計算。數值計算過程為：建立模型→原巖應力計算→煤層開挖→計算→結果輸出。

為尋求近距離煤層底板應力場演化規律，在2號煤層中開挖150m的22201工作面，觀測22201工作面開挖后模型運行500步時、1500步時、2500步時和3500步時四種情況下底板巖層應力等值線沿水平方向（X軸方向）及垂直方向（Y軸方向）的演化規律。

為了確定近距離煤層群開采下部煤層回采巷道合理位置，采用UDEC數值模擬軟件分別在3+4號煤層原巖應力區、應力集中區和卸壓區中布置巷道，對比分析不同應力區域中巷道垂直應力、塑性區和表面位移來確定下部煤層回采巷道合理位置，設計如下模擬方案：方案一：實體煤側距上部煤層開采邊緣17m處布置巷道;方案二：實體煤側距上部煤層開采邊緣47m處布置巷道;方案三：采空區側距上部煤層開采邊緣16m處布置巷道。

2.2 數值模擬結果分析

布置于原巖應力區中的巷道，垂直應力等值線對稱分布，左右幫最大圍巖應力為14MPa。由于受到上部煤層開采影響，布置于應力集中區和卸壓區中的巷道兩幫圍巖應力出現非對稱性分布特征，布置于應力集中區中的巷道，右幫最大圍巖應力為18MPa，布置于卸壓區中的巷道，右幫最大圍巖應力為12MPa，方案三布置于卸壓區中的巷道圍巖應力小，有利于巷道圍巖的穩定。

在巷道頂底板及兩幫中點設置測點監測布置于3+4號煤層不同應力區域的回采巷道表面位移，監測結果見表1。

由表1可知，布置于應力集中區域中的回采巷道頂底板圍巖和兩幫圍巖移近量最大，布置于卸壓區域中的巷道表面位移最小，原巖應力區域中的巷道表面位移介于兩者之間。從巷道表面位移分析，近距離煤層群下部煤層回采巷道最理想的布置位置為卸壓區。綜合分析各因素，原巖應力區和卸壓區中布置巷道是切實可行的的方案，其中以卸壓區布置方案三最為理想。

參考文獻：

[1] 林衍，譚學術，胡耀華.對緩傾近距離煤層群同采合理錯距的探討[J].貴州工學院學報，1994.

[2] 武忠，李日官.近距離煤層回采巷道布置研究[J].煤礦開采，2002，7（4） ， 14-15，18.

作者簡介：

任欣（1997.05-）男，貴州省仁懷市人，貴州六盤水師范學院礦業與土木工程學院采礦工程專業本科生

基金項目：貴州省大學生創新創業訓練計劃項目（2018520982）