近距離煤層內(nèi)錯(cuò)式開切眼合理錯(cuò)距的研究

李琛， 華心祝*， 常貫峰， 孫兵軍， 楊森， 王恩乾

(1.安徽理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院， 淮南 232001； 2.山東科技大學(xué)土木建筑學(xué)院， 青島 266580)

隨著煤炭開采強(qiáng)度的增大，礦山壓力的顯現(xiàn)愈加明顯，在近距離煤層開采活動(dòng)中，上方煤層因開采過程產(chǎn)生的附加應(yīng)力始終影響著下方回采巷道的布置。上部煤層開采后會(huì)對(duì)下部煤層在空間距離上產(chǎn)生不同程度的影響[1]。停采線煤柱留設(shè)過短，會(huì)對(duì)巷道穩(wěn)定性造成影響，在開切眼的過程中，煤巷有產(chǎn)生片幫可能性，留設(shè)過長(zhǎng)則會(huì)造成資源的損失，不利于煤炭安全高效回采[2-3]。因此，合理停采線位置的選取，是當(dāng)前亟待解決的問題。

針對(duì)近距離煤層開切眼的選取問題，中外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。張國(guó)軍等[4]對(duì)木瓜礦上煤層開采后的底板破壞深度及支承壓力影響范圍進(jìn)行了計(jì)算，并利用數(shù)值計(jì)算軟件模擬了上煤層開采對(duì)下煤層的影響狀況，通過對(duì)比分析最終確定了下煤層開切眼的合理布置位置。高士崗[5]和岳喜占等[6]通過多種數(shù)值模擬軟件對(duì)采空區(qū)下開切眼掘進(jìn)過程圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力和變形情況進(jìn)行模擬計(jì)算，同時(shí)對(duì)支護(hù)工藝及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，通過現(xiàn)場(chǎng)圍巖變形實(shí)測(cè)驗(yàn)證支護(hù)方案的可行性并成功應(yīng)用。王寅等[7]為解決上煤層工作面推進(jìn)至下煤層采空區(qū)開切眼附近底板下沉風(fēng)險(xiǎn)的問題，通過現(xiàn)場(chǎng)工程驗(yàn)證，采用理論分析和相似模擬方法，研究上行式開采重復(fù)采動(dòng)下頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)形態(tài)，得到覆巖破斷機(jī)制，提出了針對(duì)性的防治措施[8]，保證了工作面的安全回采。汪北方[9]和張進(jìn)鵬等[10]通過構(gòu)建極近距離厚煤層綜放工作面采空區(qū)頂板力學(xué)結(jié)構(gòu)模型，揭示了極近距離厚煤層綜放工作面開采房式采空區(qū)頂板破斷失穩(wěn)規(guī)律，并進(jìn)行工程現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，基于此提出了加強(qiáng)支架初撐力、提高推進(jìn)速度等有效防控措施[11]，較好地保障了工作面安全、高效回采。戴文祥等[12]研究了上覆煤柱集中應(yīng)力在底板的傳遞特征，并得出在底板不同深度處，距離煤柱均布載荷越遠(yuǎn)，應(yīng)力的分布范圍越大，但影響程度越小的結(jié)論?？椎轮衃13]和楊繼元等[14]針對(duì)近距離煤層群重復(fù)采動(dòng)下端面冒頂這一難題，通過多種研究手段得出重復(fù)采動(dòng)造成下位頂板裂隙比較發(fā)育，進(jìn)而使得端面頂板失穩(wěn)，且會(huì)出現(xiàn)不同程度的頂板來壓現(xiàn)象，頻繁來壓易造成端面冒頂?；诖颂岢鲰敯宄凹庸痰姆乐螌?duì)策。孫兵軍等[15]以劉莊煤礦120502切眼工作面為工程研究背景，采用數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)開切眼過程中應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行探究,提出了對(duì)上覆采空區(qū)進(jìn)行超前注漿處理與切眼斷面加強(qiáng)支護(hù)的圍巖控制對(duì)策，對(duì)解決近距離煤層下行開采采空區(qū)下開切眼圍巖控制有一定的借鑒作用[16]。

上述研究成果，多針對(duì)停采線結(jié)構(gòu)及煤層應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行研究，鮮有研究分析不同距離下上覆煤層開采對(duì)下覆煤層開切眼的影響，缺乏對(duì)下煤層開切眼位置選取的整體性研究[17]?，F(xiàn)以神東礦區(qū)某礦為工程研究背景，構(gòu)建平面力學(xué)模型，通過數(shù)值模擬，分別探究距上覆煤層在不同水平錯(cuò)距下42煤層開切眼巷道的圍巖應(yīng)力環(huán)境，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地測(cè)雷達(dá)的實(shí)際觀測(cè)驗(yàn)證，得到合理的停采線距離，使得42煤層開切眼可以安全使用。

1 工程概況

22206綜采工作面布置于22煤二盤區(qū)，主采22煤，平均采厚4.6 m。平均埋深330 m，42202綜放工作面布置于42煤二盤區(qū)，位于22煤下方66 m處，主采42煤，平均采厚6.3 m，平均埋深396 m，42煤和22煤的傾角1～3°，為近水平煤層。42上煤開切眼沿底板掘進(jìn)，切眼為矩形斷面，長(zhǎng)×寬為5 m×3 m。根據(jù)地質(zhì)資料鉆孔得到42煤與22煤的煤巖層頂?shù)装辶W(xué)參數(shù)，如表1所示。

22煤開采后，在底板中形成采動(dòng)應(yīng)力，22煤停采線預(yù)留保護(hù)煤柱的附加應(yīng)力將對(duì)42煤開切眼造成影響，研究42煤開切眼與22煤停采線空間位置關(guān)系及不同條件下的應(yīng)力分布規(guī)律，有助于42煤開切眼位置布置的選取。22煤與42煤位置關(guān)系如圖1所示。

表1 煤層頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)Table 1 Rock mechanics parameters of roof and floor of coal seam

圖1 煤層位置關(guān)系圖Fig.1 Coal seam position diagram

2 下煤層開切眼位置的研究

2.1 理論分析

設(shè)半平面體在其邊界的AO段上受有分布力，它在各點(diǎn)的力等效為均布載荷q，為求出半平面體內(nèi)某一點(diǎn)M處的應(yīng)力，取坐標(biāo)原點(diǎn)為O，設(shè)M點(diǎn)的坐標(biāo)為(x0，y0)，對(duì)M點(diǎn)進(jìn)項(xiàng)受力分析，計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 力學(xué)計(jì)算模型Fig.2 Mechanical calculation model

則M點(diǎn)集中力的鉛直和水平距離分別為x0和y0，因此在M點(diǎn)引起的應(yīng)力為

(1)

式(1)中：q為分布應(yīng)力；σx為沿x方向正應(yīng)力；σ為沿y方向正應(yīng)力；τxy為沿y方向切應(yīng)力。

為了計(jì)算全部分布應(yīng)力在M點(diǎn)引起的應(yīng)力，將微小的集中應(yīng)力進(jìn)行疊加即可得

(2)

式(2)中：a為塑性區(qū)半徑[3]。

(3)

式(3)中：M為煤層厚度；f為測(cè)壓系數(shù)；φ為煤層內(nèi)摩擦角；K為應(yīng)力集中系數(shù)；γ為容重；τ0cotφ為煤體自撐力。根據(jù)鉆孔資料及煤巖層力學(xué)參數(shù)，取巖層平均容重γ為25 kN/m3，按22煤煤層埋深330 m，42煤煤層埋深396 m計(jì)算，并選取式(2)中的應(yīng)力分量σx作為拉應(yīng)力，σy作為垂直應(yīng)力進(jìn)行分析22煤遺留煤層對(duì)42煤開切眼的影響。得到如圖3所示的結(jié)果。

圖3 應(yīng)力曲線圖Fig.3 Stress curve

從圖3可以看出，開切眼距22煤水平錯(cuò)距為40 m時(shí)，σx為0.47 MPa，大于42煤煤層抗拉強(qiáng)度，σy的附加應(yīng)力處于應(yīng)力峰值位置，且切眼巷道的底角受到水平方向的拉應(yīng)力較大，故在40 m處開切眼巷道處在較大的應(yīng)力環(huán)境中，因此在此處布置切眼不合理。在距離停采線45 m時(shí)，σx為0.42 MPa，略小于42煤煤層抗拉強(qiáng)度，σx大于0.25 MPa，處在較高的垂直應(yīng)力下，因此在距離45 m處布置開切眼也不合理。在距離停采線50 m距離下，σx為0.35 MPa，小于42煤煤層抗拉強(qiáng)度，σy小于0.25 MPa，沒有產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此，50 m水平錯(cuò)距可以作為42煤的開切眼。在此后的55 m、60 m距離下，σx、σy依次逐步減小，受上覆煤層開采的影響逐漸減弱，均可作為開切眼位置。但考慮到保護(hù)煤柱的留設(shè)，減少煤炭資源浪費(fèi)等問題，開切眼的位置布置在距22煤停采線水平錯(cuò)距50 m處較為合理。

2.2 數(shù)值模擬

為進(jìn)一步確定切眼布置的合理距離，根據(jù)煤巖層地質(zhì)參數(shù)建立FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型。模型長(zhǎng)、高均為130 m。42煤切眼巷道為矩形斷面，巷道斷面尺寸分別為：寬度×高度=5 m×3 m。22煤工作面模擬沿走向方向開采距離105 m，42煤開切眼距22煤停采線分別模擬40、45、50、55、60 m 5種情況，42煤距22煤停采線法向距離為66 m，如圖4所示。

根據(jù)數(shù)值計(jì)算模型，分別模擬42煤距22煤40、45、50、55、60 m的5種不同水平錯(cuò)距條件下42煤開切眼巷道的垂直應(yīng)力分布情況，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同水平錯(cuò)距下切眼垂直應(yīng)力分布Fig.5 Vertical stress distribution at different horizontal offsets

由圖5可知，開切眼距22煤水平錯(cuò)距40 m時(shí)，受22煤煤體開采的影響，42煤切眼巷道的左幫產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，垂直應(yīng)力約為12 MPa；距離45 m時(shí)，巷道左幫依然受其影響，但受影響范圍減??；距離50 m時(shí)，巷道左幫的垂直應(yīng)力減小到9 MPa左右，低于原巖應(yīng)力；此后55 m、60 m距離下巷道所受應(yīng)力均小于原巖應(yīng)力。因此，為避開22煤開采的影響，42煤開切眼巷道距22煤停采線的水平錯(cuò)距為50 m時(shí)較為合理，與理論計(jì)算結(jié)果較為吻合。

在數(shù)值模擬過程中通對(duì)5種不同水平錯(cuò)距切眼巷道左幫的垂直應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到如圖6所示的巷道垂直應(yīng)力分布曲線，圖6中水平距離表示數(shù)值計(jì)算模型的x方向，即從22煤停采線(25 m處)算起；豎直方向表示測(cè)幫所受的垂直應(yīng)力；側(cè)向分別表示5種不同距停采線距離的切眼巷道。

從圖6中可以看出，42煤開切眼巷道在距離22煤停采線40 m時(shí)，巷道幫部所受的應(yīng)力最大為12.8 MPa；45 m時(shí)最大應(yīng)力為10.2 MPa，均大于原巖應(yīng)力，在距離為50 m時(shí)，巷道幫部受到的最大應(yīng)力為9.6 MPa，此距離下的應(yīng)力近似于原巖應(yīng)力，而在此后的55 m和60 m距離下所受到的最大應(yīng)力分別為9 MPa和8 MPa，均小于原巖應(yīng)力。因此，42煤開切眼巷道的布置位置距22煤停采線水平錯(cuò)距50 m時(shí)較為合理，既有利于巷道的維護(hù)，又可減少保護(hù)煤柱的留設(shè)，益于42煤的安全開采。

圖6 巷道垂直應(yīng)力分布曲線Fig.6 Vertical stress distribution curve of roadway

3 工程實(shí)踐

3.1 巷道松動(dòng)圈監(jiān)測(cè)

為探究42煤開切眼巷道圍巖裂隙發(fā)育情況及松動(dòng)圈范圍，選擇開切眼巷道合理的位置進(jìn)行測(cè)試，考慮到煤巖層的破碎情況及現(xiàn)場(chǎng)的施工條件，選取42煤煤層開切眼距離機(jī)巷50 m及100 m位置處，如圖5中A、B兩測(cè)試點(diǎn)，采用LTD-2100型探地雷達(dá)對(duì)切眼巷道的幫部和頂板進(jìn)行掃描測(cè)試，進(jìn)而得出松動(dòng)圈厚度[18]。具體測(cè)試位置如圖7中的A、B點(diǎn)所示。

圖7 測(cè)試位置圖Fig.7 Test location diagram

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

如圖8所示，由A測(cè)試點(diǎn)掃描的巷道斷面結(jié)果來看，巷道左幫松動(dòng)圈厚度為3.8 m，頂板為3.0 m，幫部松動(dòng)圈范圍比頂部大0.4 m，破碎更為嚴(yán)重。

圖8 A測(cè)試點(diǎn)巷道松動(dòng)圈厚度Fig.8 A test point roadway loose circle thickness

如圖9所示，由B測(cè)試點(diǎn)掃描的巷道斷面來看，左幫松動(dòng)圈厚度為3.3 m，頂板為3.1 m，相比于頂板，左幫松動(dòng)圈邊界范圍大0.2 m。依然是左幫比頂板破碎范圍大。

圖9 B測(cè)試點(diǎn)巷道松動(dòng)圈厚度Fig.9 B test point roadway loose circle thickness

通過A、B兩處的測(cè)試結(jié)果得到：42煤層開切眼巷道松動(dòng)圈范圍在3.1～3.8 m，呈不規(guī)則分布，且不同位置處左幫的破碎范圍均大于頂板，切眼巷道整體性較好，巷道裂隙發(fā)育程度較低，沒有大面積的水平貫穿與縱向發(fā)育的裂隙，后期可通過一定的支護(hù)對(duì)巷道圍巖進(jìn)行有效控制。

4 結(jié)論

(1)通過建立力學(xué)分析模型，得到了受分析點(diǎn)的應(yīng)力分量，并基于煤體穩(wěn)定性判據(jù)，針對(duì)42煤開切眼距22煤停采線水平錯(cuò)距構(gòu)建的理論解析解進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，確定了開切眼合理位置為50 m。

(2)采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，分析了22煤遺留煤層距42煤層開切眼不同位置影響范圍，得到水平錯(cuò)距分別為40 m、45 m時(shí)，切眼左幫會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，煤體存在偏幫的潛在因素，不宜布置開切眼巷道，而在50 m及以后，巷道所受的應(yīng)力集中現(xiàn)象逐步消除，但考慮到煤炭的采出率，切眼合理位置為距22煤停采線距離為50 m。

(3)從切眼巷道采用探地雷達(dá)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試結(jié)果來看，42煤切眼巷道兩處觀測(cè)點(diǎn)的塑性圈范圍為3.1～3.8 m，選取50 m錯(cuò)距布置切眼較為合理，避開上覆遺留煤層產(chǎn)生的集中應(yīng)力影響的同時(shí)減小了下工作面停采線的距離，有利于實(shí)現(xiàn)42煤的安全回采。