李小利

(山西中新小梁溝煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 大同 037002)

我國許多煤礦煤層開采都處在近距離煤層群環(huán)境中，隨著煤炭開采水平的提高，對這些復(fù)雜條件下的近距離煤層群進(jìn)行回采已成為必然[1]。如何選擇近距離煤層回采巷道布置位置，確保巷道在回采期間的穩(wěn)定性，是近年來近距離煤層開采技術(shù)中比較突出的難題[2]。巷道圍巖穩(wěn)定性受到多方面因素的影響，煤層開采引起回采空間圍巖應(yīng)力重新分布，導(dǎo)致回采巷道周圍的煤柱上出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。煤柱上的集中應(yīng)力將向底板深部巖層傳遞，同時，底部煤層中的回采巷道還要受到本煤層鄰近工作面的采動影響[3]。因此，分析近距離煤層群條件下回采巷道的穩(wěn)定性，應(yīng)綜合考慮近距離煤層群的空間環(huán)境。

本文以處在近距離煤層群復(fù)雜應(yīng)力分布條件下的李家莊礦5號煤回采巷道的位置選擇為背景，通過數(shù)值模擬試驗(yàn)，對采空區(qū)近距離下煤層回采巷道距離遺留煤柱邊緣0 m(煤柱正下方)、8 m、18 m、25 m時，巷道的圍巖變形量、垂直應(yīng)力分布及水平應(yīng)力分布等進(jìn)行分析，確定了合理的巷道位置。

1 工程條件分析

1.1 工程地質(zhì)概況

李家莊礦井田構(gòu)造形態(tài)基本為一寬緩的不對稱向斜構(gòu)造。地層產(chǎn)狀平緩，傾角2°～6°。井田南部邊緣發(fā)育1條大型的正斷層，東北附近發(fā)育3個陷落柱。區(qū)內(nèi)構(gòu)造以褶皺為主，構(gòu)造形態(tài)較簡單，多為平緩開闊的短軸褶皺，次有巖溶坍塌形成的柱狀陷落，局部見有小型斷裂構(gòu)造。井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)巖漿巖侵入現(xiàn)象。

1.2 工程概況

李家莊礦位于山西省高平市境內(nèi)，井田面積65.25 km2，主采5號、6號、7號煤。其中5號煤厚度1.2～4.5 m，平均厚度為4 m，埋深200～500 m，平均埋深為300 m，煤層傾角1°～5°，平均3°。老頂為中、細(xì)粒砂巖，厚度為3.5～19.5 m，平均10.9 m；直接頂為石灰?guī)r，厚度為0.5～5.6 m，平均2.5 m；直接底為砂質(zhì)泥巖，厚度為1.5～6.8 m，平均4.3 m。5號煤層上方為6號煤，目前已經(jīng)采空，5號煤與6號煤采空區(qū)層間距18～30 m，平均24 m。

2 數(shù)值模擬模型建立

本文運(yùn)用UDEC數(shù)值模擬對采空區(qū)下近距離煤層下煤層的巷道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究。在巖層移動數(shù)值模擬中，限于數(shù)值模擬軟件可運(yùn)行單元數(shù)的限制，通常將未模擬巖層簡化為均布載荷加載在數(shù)值模擬的邊界，根據(jù)煤巖層綜合柱狀，確定計(jì)算模型采用摩爾—庫侖模型。模型位移邊界條件：模型的左右及下部邊界為位移邊界，左右邊界限制x方向的位移；下部邊界限制y方向的位移。在本文中，對于煤體，要求單元最大邊長不大于1 m，其他各巖層單元按與煤層的遠(yuǎn)近適當(dāng)劃分，模擬所采用力學(xué)模型見圖1，數(shù)值模擬煤巖層的物理力學(xué)參數(shù)見表2。

圖1 數(shù)值模擬力學(xué)模型示意圖

表1巖層的物理力學(xué)參數(shù)表

巖層體積模量K/GPa剪切模量G/GPa密度d/N·m-3摩擦角f/(°)黏結(jié)力C/MPa抗拉強(qiáng)度t/MPa上覆巖層15112 5002522老頂15112 5002521.5直接頂862 300221.51.5煤層541 3001711直接底1272 5002522老底1272 5003022下覆巖層1272 5003022

3 模擬結(jié)果分析

本文對上下兩煤層垂直距離24 m，上部煤層采空區(qū)遺留煤柱寬度為30 m，底板巷道分別位于上部煤層采空區(qū)遺留煤柱邊緣的水平距離為0 m(煤柱正下方)、8 m、18 m、25 m時，巷道圍巖移近量、垂直應(yīng)力分布及水平應(yīng)力分布等進(jìn)行分析，從而確定合理的巷道位置。

巷道開挖穩(wěn)定后，圍巖隨巷道距離煤柱邊緣不同距離的變形量見表2和圖2。由表2可以看出，巷道開挖后，隨著巷道與上方煤柱相對水平距離的逐漸增加，巷道圍巖移遷量在逐漸縮小，且下降幅度較大，當(dāng)巷道距離煤柱邊緣25 m時，巷道左幫移近量、右?guī)鸵平?、頂板下沉量、底鼓量分別為12 mm、15 mm、15 mm、4 mm，變形量已控制在較小的范圍之內(nèi)，完全能夠保證巷道處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。

表2 巷道圍巖變形量表

距煤柱邊緣距離/m

巷道開挖穩(wěn)定后，距離煤柱邊緣0 m、8 m、18 m、25 m時的垂直應(yīng)力分布圖見圖3。由圖3可知，由于巷道開挖，巷道圍巖向巷道內(nèi)擠，在頂?shù)装逯胁啃纬蓱?yīng)力降低拱區(qū)，使得巷道頂?shù)装宓膽?yīng)力得到釋放。隨著巷道與煤柱距離的逐漸增加，巷道頂?shù)装宕怪睉?yīng)力逐漸減小，當(dāng)巷道距離煤柱邊緣25 m時，巷道周圍最大垂直應(yīng)力僅為煤柱正下方的一半。巷道兩幫的垂直應(yīng)力隨著與煤柱邊緣距離的增大，變化不大，由此可知上部煤層遺留煤柱引起的支承壓力主要對巷道頂?shù)装逵绊戄^大，因此，在巷道維護(hù)過程中，要加強(qiáng)對巷道頂板的管理。

巷道開挖穩(wěn)定后，與煤柱邊緣0 m、8 m、18 m、25 m距離時的水平應(yīng)力分布圖見圖4。從圖4可以看出，巷道兩幫附近出現(xiàn)的水平應(yīng)力降低區(qū)呈蝶狀對稱分布，在巷道頂?shù)装寮皟蓭椭胁啃纬闪怂綉?yīng)力增高區(qū)，隨著距煤柱邊緣距離的增大，此應(yīng)力增高區(qū)在逐漸減弱，巷道周圍水平應(yīng)力也減小，巷道整體圍巖狀況良好，巷道比較穩(wěn)定。

4 結(jié) 語

本文以李家莊礦近距離煤層下煤層5號煤回采巷道的位置選擇為背景，通過數(shù)值模擬試驗(yàn)，對采空區(qū)近距離下煤層回采巷道距離遺留煤柱邊緣0 m(煤柱正下方)、8 m、18 m、25 m時，巷道的圍巖變形量、垂直應(yīng)力分布及水平應(yīng)力分布等進(jìn)行分析。結(jié)果表明：隨著與煤柱邊緣距離的增加，巷道圍巖移近量在逐漸減小，且下降幅度較大，當(dāng)距離達(dá)到25 m時，圍巖移近量已控制在較小的范圍之內(nèi)，能夠保證巷道處于安全穩(wěn)定狀態(tài)；隨著與煤柱邊緣距離的增加，巷道頂?shù)装宕怪睉?yīng)力逐漸減小，在巷道頂?shù)装逄幈憩F(xiàn)明顯，當(dāng)巷道距離煤柱邊緣25 m時，巷道周圍最大垂直應(yīng)力僅為煤柱正下方的一半。隨著與煤柱邊緣距離的增加，巷道周圍水平應(yīng)力也減小，巷道整體圍巖狀況良好，巷道比較穩(wěn)定。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]康官先,孔憲法,康天合,等.采空區(qū)下極近距離煤層回采巷道合理位置的研究[J].煤礦安全，2013(5): 210-213.

[2]張百勝,楊雙鎖,康立勛,等.極近距離煤層回采巷道合理位置確定方法探討[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2008(01):97-101.

[3]朱潤生.極近距離煤層回采巷道合理位置確定與支護(hù)技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2012(4): 10-13.