近距離煤層采空區(qū)下綜放工作面巷道合理位置研究

摘要：近距離煤層綜放工作面開采空間大，采動(dòng)強(qiáng)度高，下位煤層回采巷道受上煤層采動(dòng)影響存在應(yīng)力集中、巷道支護(hù)困難等問題，因此近距離煤層綜放工作面巷道合理位置的選取對(duì)后期支護(hù)控制起到關(guān)鍵性作用。以西露天煤礦2 煤層和1 煤層1 分層為研究對(duì)象，綜合考慮了上煤層開采時(shí)的底板應(yīng)力降低區(qū)域和下煤層開采時(shí)的極限平衡區(qū)域，確定了下煤層巷道的合理位置應(yīng)在距離實(shí)體煤柱內(nèi)錯(cuò)22.79 m 以上的區(qū)域。基于上述理論計(jì)算結(jié)果，分析了上煤層開采后底板應(yīng)力分布規(guī)律及不同內(nèi)錯(cuò)距下巷道圍巖變形破壞特征及規(guī)律，結(jié)果表明：① 距離采空區(qū)底板越近，應(yīng)力最大值與最小值相差越明顯；② 隨著內(nèi)錯(cuò)距不斷增大，圍巖應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)呈現(xiàn)急劇降低?緩慢增大?穩(wěn)定的趨勢(shì)，在內(nèi)錯(cuò)距20～25 m 內(nèi)應(yīng)力及應(yīng)力集中系數(shù)相對(duì)較小；③ 巷道圍巖塑性區(qū)范圍呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)巷道處于內(nèi)錯(cuò)20，25 m 時(shí)巷道圍巖破壞相對(duì)較小；④ 巷道變形量隨著內(nèi)錯(cuò)距增大而逐漸減小，當(dāng)內(nèi)錯(cuò)距增加至25 m 時(shí)，巷道圍巖移進(jìn)量基本保持不變；⑤ 確定巷道合理內(nèi)錯(cuò)距為20～25 m。工程應(yīng)用結(jié)果表明：巷道采用內(nèi)錯(cuò)距24 m 布置時(shí)，巷道圍巖松動(dòng)破壞深度及變形量均在可控范圍內(nèi)，進(jìn)一步證明了該內(nèi)錯(cuò)距的合理性。

關(guān)鍵詞：近距離煤層；綜放工作面；巷道布置；圍巖破壞；內(nèi)錯(cuò)距；底板應(yīng)力

中圖分類號(hào)：TD353 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

煤炭資源作為全球能源結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其安全、高效開采一直是礦業(yè)工程領(lǐng)域的重點(diǎn)[1-4]。但近距離煤層的采空區(qū)對(duì)下覆煤層的開采環(huán)境和工程穩(wěn)定性帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，特別是綜放工作面巷道的布置，直接關(guān)系到工作面的開采效率、安全性及礦工的生命安全。因此，對(duì)近距離煤層采空區(qū)下綜放工作面巷道的合理位置進(jìn)行研究，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

近年來，許多學(xué)者針對(duì)近距離煤層開采巷道布置問題進(jìn)行了大量的理論和實(shí)踐研究，例如底板應(yīng)力狀態(tài)解析式及多因素影響下底板應(yīng)力增高區(qū)定量關(guān)系的構(gòu)建等，并基于底板應(yīng)力分布特征，提出了確定下煤層回采巷道與遺留煤柱之間合理錯(cuò)距的方法，為巷道的合理布局提供了科學(xué)依據(jù)[5-10]。張寶優(yōu)[11]針對(duì)極近距離煤層群分層開采支護(hù)難度大、危險(xiǎn)性高的問題，探索了錯(cuò)層位巷道布置采煤法及區(qū)段間相鄰巷道聯(lián)合支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用前景。戴文祥等[12-13]采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法，研究了上覆煤柱集中應(yīng)力在底板的傳遞特征，優(yōu)化了煤柱及巷道布置方式和圍巖支護(hù)參數(shù)。鄭俊林等[14]從理論和數(shù)值模擬的角度出發(fā)，研究了近距離煤層群開采下位煤層回采巷道的合理布置，分析了上位煤層開采后底板破壞深度、殘留煤柱在底板中的應(yīng)力分布等因素。張杰等[15]構(gòu)建了上煤層遺留煤柱與鉸接巖塊的協(xié)同承載結(jié)構(gòu)模型和底板應(yīng)力傳遞計(jì)算模型，研究了上煤層遺留煤柱下底板應(yīng)力及影響因素。王志強(qiáng)等[16-17]針對(duì)近距離煤層上行開采中上煤層臺(tái)階狀下沉問題，采用數(shù)值和相似模擬模型，模擬了留煤柱和錯(cuò)層位巷道布置開采，分析了上行開采煤層垮落形式和卸壓效果。劉超等[18]通過對(duì)比內(nèi)錯(cuò)布置與外錯(cuò)布置的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了一種內(nèi)外錯(cuò)相結(jié)合的回采巷道布置方式，并分析了煤柱寬度和巷道偏移距離對(duì)煤柱下巷道圍巖變形的影響。劉洪濤等[19-20]對(duì)下層煤巷道非對(duì)稱變形破壞機(jī)理進(jìn)行了深入探究，結(jié)果表明，上覆煤層開采改變了巷道所處位置的主應(yīng)力大小、主應(yīng)力比值及應(yīng)力偏轉(zhuǎn)角，導(dǎo)致巷道非對(duì)稱破壞。

上述研究分析了上煤層開采底板應(yīng)力分布規(guī)律與破壞特征，為063535336300ba61089e70b1b123e44edfed0d7d3183002aa023c585e7b56c7e近距離煤層巷道合理位置的選擇及圍巖控制研究奠定了基礎(chǔ)，但對(duì)于下煤層自身的采動(dòng)活動(dòng)造成的影響考慮不足。下煤層的區(qū)段煤柱面臨上煤層煤柱在底板區(qū)域引起的應(yīng)力集中問題，同時(shí)也承受著由于本煤層自身的采動(dòng)活動(dòng)而造成的影響。此外，厚煤層綜放工作面開采空間大，采動(dòng)強(qiáng)度高，極易導(dǎo)致巷道圍巖破壞范圍大而難以控制，故厚煤層綜放工作面巷道合理位置的選取對(duì)后期支護(hù)控制起到關(guān)鍵性作用。因此，本文以內(nèi)蒙古平莊煤業(yè)西露天煤礦作為研究背景，考慮下煤層自身的采動(dòng)活動(dòng)造成的影響，通過理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等綜合方法開展下綜放工作面巷道合理位置研究。

1 工程背景

西露天煤礦主要可采煤層為1 煤層和2 煤層，煤層傾角為0～15°，平均傾角為7°，煤層平均間距為11.5 m，屬于近距離煤層。1 煤層總厚度為30.14 m，分為3 個(gè)分層，厚度分別為11.55，11.2，7.39 m，煤層頂板以砂巖為主，次為泥巖，底板多為砂巖、泥巖，平均埋深為201.32 m；2 煤層厚度為7.16 m，煤層頂板以泥巖為主，底板一般為泥巖、砂巖。開采021N2 綜放工作面時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，需在1 煤層1 分層布置011N1?1 接續(xù)工作面，由于煤層間距較小、厚度大，上部的2 煤層開采過程中，位于其下方的1 煤層1 分層將受到嚴(yán)重的采動(dòng)影響，應(yīng)力重分布，存在應(yīng)力集中區(qū)和應(yīng)力降低區(qū)，因此，1 煤層1 分層011N1?1綜放工作面巷道面臨合理位置布置及支護(hù)問題有待解決。021N2 工作面與1 煤層1 分層層位關(guān)系及各層巖性如圖1 所示。