近距離煤層群下工作面回采巷道合理布置方式研究

李 劍

（山西焦煤集團嵐縣正利煤業有限公司， 山西 呂梁 033500）

煤礦在煤層回采過程中，因回采巷道變形大，破壞嚴重的問題制約著礦井的開采，因此巷道合理的布設位置對于礦井開采十分重要。本文以正利煤業工程為研究背景，通過數值模擬及理論分析對回采巷道的層位布置位置進行分析，同時對不同巷道位置下巷道變形進行一定的分析，給出復采條件下回采巷道布置的最佳位置，以有效控制回采巷道的圍巖變形，保證巷道穩定性，為礦井高效回采提供一定的理論指導。

1 數值模擬準備

正利煤業位于山西省呂梁嵐縣社科鄉葛鋪村，距縣城11 km，井田面積為9.26 km2，年生產能力為150 萬t。開采煤層在井田內分布有大片剝蝕無煤區，賦存區內煤層厚2.90～4.80 m，平均厚3.59 m，屬厚煤層，其可采性指數為1，厚度變異系數為16.38%，屬賦煤區穩定可采煤層。一般含0～1 層夾矸，夾矸厚度在0.30 m 左右，結構簡單。煤層頂板為泥巖、砂質泥巖，底板為砂質泥巖、粉砂巖。在補堪電法勘探區外，該煤層經過了整合前各礦及歷史存在小窯的多年開采，而經鉆探、物探、巷探及以往開采資料綜合分析研究后推斷在電法勘探區內存在遺留資源，所以對復采巷道布設進行研究。

首先對復采巷道圍巖性質進行測定，對正利煤業圍巖進行取樣，進行力學性質測試，以保證數值模擬的準確性，經過前期的研究，分別對試樣進行抗壓、抗拉等性能測定，給出圍巖的力學參數如表1 所示。

表1 圍巖的力學參數表

回采巷道在布設時主要考慮2 號煤層的覆存條件，有兩種回采巷道布置方案，方案一為沿2 號煤層的頂板進行巷道布設，方案二為沿2 號煤層的底板進行布設，兩種回采巷道布置示意圖如1 所示。

圖1 兩種回采巷道布置示意圖

對回采巷道沿煤層頂底板布置形式進行數值模擬研究，建立巖層模型長×寬×高為200 m×150 m×100 m，沿著左邊界在46 m 的位置設置煤柱，在4 m位置設置巷道，在0.8 m 位置設置柔模充填體，對模型進行物理參數設置，為保證計算的精度及可靠性，根據先前試驗測得的巖層物理屬性進行設置，對模型的邊界進行固定約束設定，網格劃分遵循精確位置細化分原則，對模型進行模擬計算，本次分別對兩種支護方案進行模擬分析，對巷道頂板的1 m 空頂進行充填，并對破碎頂板巖石進行清理，利用巷幫切墻進行支護，并對底板逐漸進行加固。

2 數值模擬研究

當工作面布置于回采巷道頂板位置時，圍巖破壞及應力分布情況如圖2-1、2-2 所示，此時圍巖的塑性破壞范圍不大，巷道圍巖底板及頂板的破壞范圍分別為0.25 m 和0.75 m，巷道發生的破壞主要集中在巷道的左幫位置，此時的最大破壞范圍為0.5 m，觀察巷道圍巖的垂直應力分布云圖可以看出，此時應力主要集中在充填體的位置，在此位置的垂直應力趨于10～13 MPa。當工作面布置于回采巷道底板位置時，圍巖破壞及應力分布情況如圖2-3、2-4 所示。從圍巖塑性破壞圖中可以看出，此時的巷道圍巖塑性變形范圍相對較小，此時的巷道底板破壞較小，同樣在巷道的左幫位置出現一定的剪切應力，巷幫出現剪切破壞，此時的最大破壞范圍為0.5 m；觀察巷道布置于底板圍巖的垂直應力可以看出，此時的充填體應力出現集中現象，應力分布大致在5～8 MPa，此時的巷道垂直應力小于巷道布置于巷道頂板位置時的應力，可以看出當巷道沿著煤層底板位置時，整體塑性破壞區域較小。

圖2 兩種布置方案下巷道塑性破壞及垂直應力分布圖

對兩種巷道布置方案下巷道頂板破壞范圍、底板破壞范圍、最大垂直應力、最大水平應力進行對比分析，不同層位布置下巷道圍巖的變形及破壞對比圖如3 所示。

從圖3-1 中可以看出，當沿著頂板進行掘進時，此時的頂板最大破壞范圍為0.75 m，底板最大破壞范圍為1.75 m，左幫最大破壞范圍為1.25 m，而當沿著底板進行掘進時，此時頂板最大破壞范圍為1 m，底板最大破壞范圍為0.25m，左幫最大破壞范圍為1.5m；當沿著底板進行掘進時，此時的巷道頂板破壞范圍及左幫破壞范圍與沿著頂板掘進相差不大，但底板的破壞范圍有了明顯的降低，所以將巷道沿著底板布置巷道的整體破壞較小。從圖3-2 可以看出當沿著頂板掘進時，此時的最大垂直應力及最大水平應力分別為25 MPa 和16 MPa，而沿著底板進行掘進時，此時的最大垂直應力及最大水平應力分別為20MPa和16MPa，由此可以得出，當巷道沿著巷道底板進行布置時，巷道的整體應力環境較佳。

圖3 不同層位布置下巷道圍巖的變形及破壞對比圖

綜上所述，當回采巷道沿著巷道底板進行掘進時，此時的巷道塑性變形、巷道圍巖垂直應力、圍巖水平應力及充填體的破壞等均能滿足巷道圍巖控制要求，所以巷道位置布置在沿巷道底板進行掘進時其布置位置為最佳。

3 結論

1）本文通過對正利煤業圍巖進行取樣，進行力學性質測試，給出了圍巖試樣的抗壓、抗拉強度等數據，為后續數值模擬打下一定的基礎。

2）利用數值模擬軟件對巷道合理布置位置進行模擬研究，給出了沿頂板掘進及沿底板掘進下巷道的塑性破壞云圖及垂直應力分布云圖。

3）對數值模擬計算的沿頂板掘進及沿底板掘進下巷道的塑性破壞云圖及垂直應力分布云圖進行數據對比，發現當回采巷道沿著巷道底板進行掘進時，此時的巷道塑性變形及應力分布均滿足控制要求，布設位置較佳。