近距離煤層遺留區(qū)段煤柱下巷道合理布置研究

李飛

（貴州水礦控股集團(tuán)有限責(zé)任公司 汪家寨煤礦，貴州 六盤水 553000）

0 引 言

我國煤炭賦存多為近距離煤層，近距離煤層是指煤層間開采有著較為明顯采動(dòng)影響的煤層[1-3]，上層煤開采后會(huì)引起下層煤應(yīng)力的重新分布[4-6]，目前許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究。趙宇德[7]采用理論結(jié)合數(shù)值模擬的方法，研究了遺留煤柱的穩(wěn)定性，分析了煤柱下的應(yīng)力分布規(guī)律；李成海等[8]計(jì)算了區(qū)段煤柱的合理寬度，并用UDEC 數(shù)值模擬了巷道分別沿頂板和底板掘進(jìn)時(shí)圍巖的變形特征，最終確定了巷道的掘進(jìn)方式與護(hù)巷煤柱的寬度；神文龍等[9]綜合測壓系數(shù)、應(yīng)力集中系數(shù)以及應(yīng)力梯度提出了“三指標(biāo)法”，分析了殘留煤柱下三類指標(biāo)的分布特征，闡述了三類指標(biāo)對(duì)巷道穩(wěn)定性的協(xié)同作用規(guī)律。雖然大量專家學(xué)者對(duì)近距離煤層開采進(jìn)行了相關(guān)研究，但是受重復(fù)采動(dòng)影響，不同地質(zhì)、開采條件下，遺留煤柱下應(yīng)力分布規(guī)律不同，因此，針對(duì)近距離煤層遺留區(qū)段煤柱下巷道合理位置的選擇仍需要做進(jìn)一步的研究。

為確定汪家寨煤礦遺留區(qū)段煤柱下影響下回采巷道的布置位置，運(yùn)用數(shù)值模擬與現(xiàn)場實(shí)測等方法，研究7 號(hào)煤層開采后8 號(hào)煤層的應(yīng)力分布，分析不同巷道內(nèi)錯(cuò)距離時(shí)，巷道的應(yīng)力與變形特征，確定回采巷道的合理位置，保障回采巷道的掘進(jìn)安全，降低巷道的維護(hù)成本，為類似礦井提供參考。

1 概 況

汪家寨煤礦8 號(hào)煤層的平均煤厚為4 m，煤層傾角平均為6°，埋深400 m，8 號(hào)煤層上覆為7號(hào)煤層，煤層平均厚度為3.5 m，煤層傾角平均為4°，現(xiàn)7 號(hào)煤層即將回采完畢，形成采空區(qū)和遺留區(qū)段煤柱區(qū)，區(qū)段遺留煤柱寬度為15 m，7 號(hào)煤層與8 號(hào)煤層層間距為8 m，為近距離煤層。受重復(fù)采動(dòng)與區(qū)段遺留煤柱影響，需研究7 號(hào)煤層開采后8 號(hào)煤層的應(yīng)力分布，對(duì)8 號(hào)煤首采面回采巷道位置進(jìn)行合理選擇。

2 遺留區(qū)段煤柱下巷道合理布置模擬研究

2.1 模型建立

為研究7 號(hào)煤層開采后8 號(hào)煤層的應(yīng)力分布，對(duì)8 號(hào)煤1541 首采面回采巷道位置進(jìn)行合理選擇，以汪家寨煤礦15 采區(qū)為工程背景，建立數(shù)值模型，模型尺寸：長×寬×高=320 m×320 m×94 m，左、右、底部邊界固定，頂板施加應(yīng)力邊界，施加應(yīng)力大小為8.75 MPa，回采巷道高4 m，寬6 m，如圖1 所示。巷道錯(cuò)距分別取-6、0、6、12 m 四種方案，如圖2 所示，利用FLAC3D 數(shù)值模擬軟件對(duì)4 種巷道錯(cuò)距方案進(jìn)行模擬計(jì)算。

圖1 模型尺寸示意Fig.1 Model size indication

圖2 巷道內(nèi)錯(cuò)布置方案Fig.2 Layout scheme of roadway internal dislocation

結(jié)合相關(guān)力學(xué)研究與現(xiàn)場實(shí)測，綜合考慮巖石的性質(zhì)等因素，采用的巖層力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 各巖層物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of each rock stratum

2.2 下行開采8 號(hào)煤應(yīng)力分布

7 號(hào)工作面回采后8 號(hào)煤層的垂直應(yīng)力分布如圖3 所示。

圖3 遺留煤柱下8 號(hào)煤垂直應(yīng)力與剪切應(yīng)變分布曲線Fig.3 The vertical stress and shear strain distribution curve of No.8 coal seam under the remaining coal pillar

從圖3 中可知，8 號(hào)煤在遺留煤柱下正下方垂直應(yīng)力達(dá)到峰值，最大值為44.43 MPa，約為原巖應(yīng)力的4.4 倍，隨著距煤壁中心距離的增加，垂直應(yīng)力減小；根據(jù)近距離煤層下行開采巷道布置原則，8 號(hào)回采巷道應(yīng)布置到應(yīng)力卸壓區(qū)，在距煤柱中心13 m 后，垂直應(yīng)力減小到原巖應(yīng)力，說明8號(hào)回采巷道應(yīng)布置在距煤柱中心13 m 后，即巷道內(nèi)錯(cuò)距離應(yīng)大于5 m。

2.3 不同內(nèi)錯(cuò)距離巷道應(yīng)力分析

不同內(nèi)錯(cuò)距離巷道的垂直應(yīng)力分布情況，如圖4 所示。

圖4 不同內(nèi)錯(cuò)距離巷道垂直應(yīng)力分布云圖Fig.4 Vertical stress distribution cloud map of roadway with different internal fault distance

可以看出，巷道內(nèi)錯(cuò)距離為-6 m 時(shí)，巷道位于遺留煤柱下方，受應(yīng)力集中影響較大，內(nèi)錯(cuò)距離為0 時(shí)，巷道左幫側(cè)受煤柱傳遞下來的集中應(yīng)力較為明顯，當(dāng)內(nèi)錯(cuò)距離大于6 m 后，巷道位于應(yīng)力降低區(qū)。

不同內(nèi)錯(cuò)距離時(shí)巷道頂板的剪切應(yīng)力分布曲線如圖5 所示。

圖5 不同內(nèi)錯(cuò)距離巷道頂板剪切應(yīng)力分布曲線Fig.5 Shear stress distribution curve of roadway roof with different internal dislocation distance

可以看出，巷道內(nèi)錯(cuò)距離為-6 m 時(shí)巷道頂板兩端的剪切應(yīng)力最大，分別為5.97 MPa 和5.92 MPa，且巷道內(nèi)錯(cuò)距離為-6 m 時(shí)巷道頂板整體應(yīng)力分布曲線變化較大；巷道內(nèi)錯(cuò)距離大于6 m 后剪切應(yīng)力變化較為平緩，且整體剪切應(yīng)力較小。

2.4 不同內(nèi)錯(cuò)距離巷道圍巖變形分析

不同內(nèi)錯(cuò)距離時(shí)巷道頂板垂直位移分布如圖6所示。

圖6 不同內(nèi)錯(cuò)距離巷道頂板垂直位移分布Fig.6 Vertical displacement distribution of roadway roof with different internal dislocation distance

從圖6 可知，受遺留區(qū)段煤層的影響，巷道頂板左側(cè)的位移大于右側(cè)；內(nèi)錯(cuò)距離在-6 ～6 m，隨著巷道內(nèi)錯(cuò)距離的增加，巷道頂板的垂直位移減小較為明顯，內(nèi)錯(cuò)距離大于6 m 后巷道頂板的垂直位移整體下降趨勢(shì)減緩，整體下沉量較小。

不同內(nèi)錯(cuò)距離時(shí)，巷道左幫水平位移分布如圖7 所示。

圖7 不同內(nèi)錯(cuò)距離巷道左幫水平位移分布Fig.7 Horizontal displacement distribution of left side of roadway with different internal fault distance

巷道內(nèi)錯(cuò)距離為-6 m 時(shí)，巷道左幫中部的水平位移最大，內(nèi)錯(cuò)距離大于0 后，巷道左幫頂部的水平位移最大，隨著巷道內(nèi)錯(cuò)距離的增加，巷道左幫的水平位移整體呈下降趨勢(shì)。

總體來看，巷道內(nèi)錯(cuò)距離為-6 m 時(shí)，巷道受上方遺留區(qū)段煤柱的影響最大，隨著巷道內(nèi)錯(cuò)距離的增加，巷道受上方遺留區(qū)段煤柱的影響逐漸減小，當(dāng)內(nèi)錯(cuò)距離大于6 m 后，巷道位于卸壓區(qū)，受上方遺留區(qū)段煤柱的影響較小，因此綜合考慮圍巖應(yīng)力、變形分布特征規(guī)律，最終確定巷道的內(nèi)錯(cuò)距離為6 m。

3 現(xiàn)場實(shí)測

為驗(yàn)證巷道內(nèi)錯(cuò)距離選擇的合理性，巷道掘進(jìn)后在現(xiàn)場對(duì)巷道變形進(jìn)行觀測記錄，得到巷道頂?shù)装迮c兩幫移近量如圖8 所示。

圖8 掘進(jìn)期間回采巷道圍巖變形量Fig.8 Deformation of surrounding rock in mining roadway during excavation

從圖8 可以看到，0～8 d 巷道頂?shù)装逡平吭鲩L較快，然后趨于平緩，巷道頂?shù)装逡平孔畲鬄?19.66 mm；10～15 d 巷道兩幫移近量增長較大，15 d 之后巷道兩幫移近量趨于平緩，兩幫最大移近量為63.48 mm；整體來看，巷道圍巖變形量較小，因此可知巷道位于卸壓區(qū)，內(nèi)錯(cuò)距離選擇合理。

4 結(jié) 論

利用數(shù)值模擬研究了不同內(nèi)錯(cuò)距離時(shí)巷道的垂直應(yīng)力與剪切應(yīng)力分布，分析了不同內(nèi)錯(cuò)距離巷道的圍巖變形特征，確定了合理的內(nèi)錯(cuò)距離，主要結(jié)論如下。

（1） 8 號(hào)煤在遺留煤柱下正下方垂直應(yīng)力達(dá)到峰值，約為原巖應(yīng)力的4.4 倍，隨著距煤壁中心距離的增加，垂直應(yīng)力減小，影響范圍為距煤柱中心水平距離13 m，回采巷道應(yīng)布置在應(yīng)力降低區(qū)。

（2） 巷道內(nèi)錯(cuò)距離為-6 m 時(shí)，巷道垂直應(yīng)力、剪切應(yīng)力及圍巖變形量均為最大，隨著巷道內(nèi)錯(cuò)距離的增加，巷道受上方遺留區(qū)段煤柱的影響逐漸減小，當(dāng)內(nèi)錯(cuò)距離大于6 m 后，巷道位于卸壓區(qū)，確定了巷道合理的內(nèi)錯(cuò)距離為6 m。

（3） 通過現(xiàn)場實(shí)測得到內(nèi)錯(cuò)距離為6 m 時(shí)，巷道頂?shù)装逡平孔畲鬄?19.66 mm，兩幫最大移近量為63.48 mm，巷道圍巖變形量整體較小，均在可控范圍內(nèi)，驗(yàn)證了巷道內(nèi)錯(cuò)距離選擇的合理性。