分層開采巷道不同分布數值分析

孫建文

(晉能控股煤業集團四臺礦，山西 大同 037003)

引 言

厚煤層在我國具有較高的煤炭產量，對于經濟社會的發展具有重要的作用。在進行厚煤層開采時，常采用長臂式分層開采的方式，傳統的長臂式分層開采要將連續回采的工作面區段及進風與回風巷連接在同一層位上，相鄰的工作面之間預留相應的煤柱，下層的煤柱要大于上層的煤柱從而形成有效的支撐，這種方式布置的巷道使得區段煤柱無法采出，降低了煤炭的產出；并且這種布置方式使得煤柱內容易產生應力集中，造成回采巷道的垮塌，增加了巷道維護的難度，不利于礦井的持續開采[1]。針對分層開采過程中，巷道的不同分布方式進行模擬分析，以得到最好的巷道分布，提高礦井的產出率，并提高巷道的支護技術。

1 分層開采巷道分布數值模型的建立

對厚煤層進行分層開采，巷道布置有內錯式、外錯式及重疊式三種不同的方式，內錯式分布指下層的巷道分布在上層工作面內部，與上層煤柱間留有一定的距離形成正梯形的煤柱，這種方式形成的煤柱尺寸逐步增加，下層的工作面也變短，使得礦井的回采率有所降低，但這種方式可以將巷道分布在卸壓區內，利于巷道的掘進及維護，增加其使用壽命[2]；外錯式巷道是指下層的巷道布置在上層巷道的外側，是倒梯形的分布，這種方式可以減小煤柱的尺寸，延長巷道的工作面，從而可以提高工作面的回采率，但這種分布方式承受較大的圍巖壓力作用，不利于巷道的掘進與維護[3]；重疊式的分布是在同一垂直方向上進行上下層的巷道分布，由于重疊式的巷道分布在上層巷道的正下方位置處，不利于下層巷道的掘進，在采出上沒有明顯的優勢，因此在分析過程中，針對內錯式及外錯式兩種不同的方式進行分析。

下層的巷道布置在采空區的應力降低區域內，但由于巷道的變形及壓力較大，使得巷道一側的變形要遠大于另一側，增加了巷道的維護成本，對于巷道的分布，下層巷道的設置要綜合考慮選取合理的位置。設定上層的工作面開采完畢，且巷道變形達到穩定狀態，對下層巷道的分布采用FLAC3D進行仿真分析[4]。

FLAC3D是進行巖石及土木分析的數值分析軟件，可以解決巖層流動及熱動力學等非線性問題的仿真模擬。依據厚煤層賦存條件，建立采場的數值分析模型，設定模型的總體尺寸為280 m×150 m×112 m(長×寬×高)，對模型設定相應的應力邊界，并依據材質的不同，設定模型的個組成部分高度，得到煤層的模型如第154頁圖1所示。

2 分層開采巷道分布的數值分析

2.1 內錯式巷道數值分析

對巷道的分布進行數值分析，由于巷道的影響作用相對較多，針對煤層產生的位移進行分析對比。在內錯為3 m時，得到煤層的垂直方向位移變化如圖2所示。從圖2中可以看出，巷道的垂直位移主要發生在煤柱的右上角及原理煤柱位置的左下角位置處[5]。增加內錯的距離，同樣進行相應的分析，巷道越靠近煤柱時，其垂直位移的影響作用越大，垂直位移主要是有煤柱傳遞到下底板引起的變形。在內錯距離變化的過程中，引起的頂板的下沉量變化如圖3所示。從圖3中可以看出，內錯距離的增加過程中，在內錯距離較小時，頂板的下沉量變化率較大，隨著內錯距離大于8 m，頂板的下沉量變化率逐漸減小。

圖1 煤巖層分析模型

圖2 內錯距離3 m時的垂直位移

圖3 頂板下沉量隨內錯距離的變化曲線圖

2.2 外錯式巷道數值分析

同樣對外錯式巷道分布的垂直位移進行分析，在外錯距離為1 m時得到垂直方向位移變化如圖4所示。從圖4中可以看出，外錯分布時的垂直位移相對集中，主要位于外錯巷道的頂板及上層煤柱的邊緣位置處；同樣改變外錯的距離，垂直位置的變化呈現先減小后增加的趨勢，其頂板的下沉量如圖5所示。從圖5中可以看出，頂板的下沉量受到垂直應力的作用，呈現先降低后增加的變化[6]。在外錯距離3.5 m左右時，頂板的下沉量最小，然后隨著外錯距離的增加，頂板下沉量呈現急劇增加，這時容易造成頂板的塌陷，引發一定的安全事故。

圖4 外錯距離1 m時的垂直位移

圖5 頂板下沉量隨外錯距離的變化曲線圖

通過上述的分析可知，在上煤層開采完成的情況下，對于下煤層的巷道布置，采用內錯式分布時，內錯距離的增加，會降低頂板的垂直方向的下沉量，但這種降低的趨勢逐漸平緩，降低作用逐漸減弱；在采用外錯式分布時，外錯距離的增加，使得頂板的下沉量呈現先減小后增加的趨勢，并在外錯距離大時，急劇地產生下沉，容易造成頂板的塌陷。

對于巷道的分布產生的影響，還有諸多的因素，包括水平方向的位移及垂直和水平方向上的應力情況，圍巖的塑性破壞情況等，由于巷道的分布不同，對頂板的支護作用主要體現在垂直方向上，因此，文中僅對垂直方向的位移及頂板的變化進行分析。

3 結論

厚煤層進行分層開采時，巷道的分布方式對于煤層的采出率及巷道的掘進和維護具有重要的影響。針對分層開采過程中內錯式及外錯式兩種不同的分布方式，針對垂直方向的位移及頂板的變形量進行分析，結果表明，在進行內錯式分布時，內錯距離以8m為宜，這時的巷道布置大于支撐壓力的作用，且分布較為均勻，隨著內錯距離的增加，頂板的變形作用較小且減小緩慢，這時可以最大地提高工作面的長度；在進行外錯式分布時，以3.5 m的外錯距離為宜，此時頂板的下沉量最小，并且應力分布較為均勻，有利于巷道的掘進和維護。在進行厚煤層的分層開采時，要根據煤層的賦存條件，確定下層巷道的分布方式，提高礦井的采出率，并提高巷道的壽命，保證礦井的安全。