賀增源

(安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001)

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巷道支護(hù)理論與技術(shù)

保護(hù)層下傾斜煤層回采巷道布置位置的研究

賀增源

(安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001)

煤層開采引起的應(yīng)力集中會(huì)造成底板的破壞,底板應(yīng)力場(chǎng)及破壞深度是決定近距離煤層巷道位置的重要因素。結(jié)合謝一礦4671B4工作面回采巷道的具體地質(zhì)力學(xué)條件，采用滑移線場(chǎng)理論計(jì)算確定了上保護(hù)層B6煤開采后的最大底板破壞深度和上層煤柱塑性區(qū)影響范圍。使用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析不同位置下巷道圍巖的力學(xué)特征及機(jī)巷和風(fēng)巷的最大位移量，對(duì)工程實(shí)踐中采用內(nèi)錯(cuò)式的布置方式的合理性進(jìn)行驗(yàn)證。

回采巷道；底板破壞深度；滑移線場(chǎng)理論；數(shù)值模擬

煤層開采后煤層底板在煤柱區(qū)應(yīng)力一直處于上升狀態(tài),底板煤巖層處于壓縮狀態(tài);而在采空區(qū)下方底板應(yīng)力總是處于下降狀態(tài),底板煤巖體處于膨脹狀態(tài)。巖體在煤柱邊緣區(qū)內(nèi)最易產(chǎn)生裂隙并發(fā)生破壞[1]。煤層距離較近時(shí)，上下煤層回采期間，相互影響較大。煤層傾角較大時(shí)，回采巷道支護(hù)困難，圍巖控制不當(dāng)易引發(fā)安全事故。因此在布置回采巷道時(shí)，應(yīng)使回采巷道處于低應(yīng)力區(qū)域，保障回采巷道在掘進(jìn)回采期間能滿足采面通風(fēng)、行人、運(yùn)輸?shù)纫骩2]。

本文根據(jù)滑移線場(chǎng)理論[3-7]，計(jì)算確定了謝一礦B6煤開采后的煤層底板破壞深度和上層煤柱塑性區(qū)影響范圍，在B4煤回采巷道布置時(shí)選擇內(nèi)錯(cuò)式的布置方式。使用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析不同內(nèi)錯(cuò)距離下巷道圍巖的力學(xué)特征及機(jī)巷和風(fēng)巷的最大位移量，驗(yàn)證了巷道布置位置的合理性，避免了巷道圍巖的變形破壞[8-10]。

1　工程背景

謝一礦B4煤層傾角20～26°，平均24°，B6煤層傾角20～26°，平均24°，屬于傾斜煤層。B6，B4煤層賦存較穩(wěn)定，兩層煤平均間距為22m。B6煤厚在0.6～2.6m之間，平均約為1.6m，直接底為砂質(zhì)泥巖。 B4煤由B4a煤、B4b煤和夾雜的泥巖組成，平均厚度為3.8m，直接頂和直接底為砂質(zhì)泥巖。4271B6最大采高為2.3m，采用全部垮落法管理頂板。4671B4工作面風(fēng)巷布置在-600m標(biāo)高，機(jī)巷布置在-660m標(biāo)高。

該塊段B4煤層為突出危險(xiǎn)區(qū)，回采范圍內(nèi)上覆B6煤層作為保護(hù)層正在回采；在實(shí)際生產(chǎn)過程中，為了解決采掘接替的問題，B4煤層的機(jī)巷和風(fēng)巷已掘進(jìn)，B4煤落后于B6煤30m開始回采。目前，在工程實(shí)踐中多采用工程類比的方法確定回采巷道的位置，回采巷道的位置布置不合理時(shí)，往往會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞，易發(fā)生安全事故，影響正常的生產(chǎn)。因此，保護(hù)層下傾斜煤層回采巷道合理位置的研究具有較為重要的意義。

2　理論計(jì)算

采空區(qū)底板下一定范圍內(nèi)的巖體，當(dāng)采空區(qū)旁的煤柱或煤體作用在其上的支承壓力達(dá)到或超過其臨界值時(shí)，底板巖體產(chǎn)生塑性變形，形成塑性區(qū)；當(dāng)支承壓力達(dá)到或超過導(dǎo)致部分巖體完全破壞的最大承載能力發(fā)生破壞時(shí)，塑性區(qū)貫通，形成一個(gè)連續(xù)的滑移面。利用滑移線場(chǎng)理論，建立采空區(qū)下底板巖體破壞模型，如圖1所示。

圖1　滑移線場(chǎng)理論底板破壞深度計(jì)算

由圖1推導(dǎo)得出底板屈服破壞深度h為：

(1)

(2)

(3)

由極限平衡理論計(jì)算煤壁塑性區(qū)寬度x0為：

(4)

由式(1)～(4)得出采空區(qū)底板巖層最大屈服破壞深度hmax為：

(5)

底板巖體最大破壞深度距煤體(柱)水平距離l1為：

l1=hmaxtanφf

(6)

采空區(qū)側(cè)底板破壞區(qū)域沿水平方向長(zhǎng)度l2為：

(7)

式中，M為采厚，m；應(yīng)力集中系數(shù)k為2；上覆巖層的平均體積力γ為25kN/m3；采深H為620m；煤層黏結(jié)力C為1.25MPa；煤層內(nèi)摩擦角φ為15°；煤層與頂?shù)装迥Σ料禂?shù)f為0.27；三軸應(yīng)力系數(shù)ξ為1.70；底板巖層內(nèi)摩擦角φf為36.4°。

采高不同時(shí)，底板巖體破壞范圍不同。結(jié)合謝一礦的B6煤層及底板巖體物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果計(jì)算可得，采空區(qū)底板最大破壞深度為13.58m；極限平衡理論計(jì)算煤壁塑性區(qū)寬度x0為7.28m；底板巖體最大破壞深度距煤體(柱)水平距離l1為10.01m。在工程實(shí)踐中B6與B4煤平均相距22m，B4煤回采巷道頂板受到B6煤開采擾動(dòng)破壞的影響不大。

3　數(shù)值模擬

3.1計(jì)算模型的建立

根據(jù)謝一礦開采與地質(zhì)力學(xué)條件，利用FLAC3D有限差分軟件對(duì)B6煤采空區(qū)下4671B4工作面回采巷道的內(nèi)錯(cuò)布置情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析，以確定其合理布置位置。考慮到計(jì)算需要，數(shù)值計(jì)算模型x方向上的長(zhǎng)度為360m，y方向的長(zhǎng)度為270m，z方向的長(zhǎng)度為250m，模型中模擬的B6煤層厚度為1.6m，B4煤層厚度為3.8m，工作面傾斜長(zhǎng)度180m，沿走向推進(jìn)150m，網(wǎng)格數(shù)24596個(gè),節(jié)點(diǎn)數(shù)28056個(gè)。工作面方向平行于x軸,推進(jìn)方向?yàn)閦軸,鉛直方向?yàn)閥軸。頂?shù)装宀糠謳r層巖性及物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1　數(shù)值計(jì)算中部分巖層物理力學(xué)參數(shù)

模型建立后，模型的4個(gè)側(cè)面施加法向約束；頂部為自由邊界，模型上部施加垂直載荷模擬上覆巖層的重量，使得模型在彈性狀態(tài)下達(dá)到初始平衡狀態(tài)，模型的本構(gòu)關(guān)系為摩爾-庫(kù)倫塑性本構(gòu)關(guān)系，首先開挖B6煤層，然后開挖B4煤層風(fēng)巷、機(jī)巷和切眼使其貫通，然后對(duì)工作面實(shí)施分步開挖，一步開挖10m。在數(shù)值模擬過程中，為使B4煤的回采巷道布置在B6煤層采空區(qū)下的應(yīng)力降低區(qū)域，從B6煤保護(hù)煤柱正下方，將B4煤回采巷道的位置向采空區(qū)側(cè)移動(dòng)，每2m進(jìn)行一次模擬。為消除邊界影響，四周各留出50m，三維數(shù)值計(jì)算模型見圖2。

圖2　三維數(shù)值計(jì)算模型

3.2模擬結(jié)果分析

圖3為機(jī)巷和風(fēng)巷垂直應(yīng)力分布云圖局部放大。從圖3中可以得出：機(jī)巷和風(fēng)巷底板的應(yīng)力與頂板和兩幫的應(yīng)力相比較低，因此機(jī)巷和風(fēng)巷的頂板和兩幫易發(fā)生破壞。機(jī)巷周圍的應(yīng)力大于風(fēng)巷，這是由于開采的煤層為傾斜煤層，在風(fēng)巷的右?guī)统霈F(xiàn)應(yīng)力集中，因此風(fēng)巷的右?guī)腿菀装l(fā)生破壞。

圖3　機(jī)巷和風(fēng)巷垂直應(yīng)力分布云圖局部放大

圖4為不同位置下機(jī)巷風(fēng)巷保護(hù)層下傾斜煤層開采后機(jī)巷和風(fēng)巷周圍垂直應(yīng)力分布的應(yīng)力云圖。從圖4中可以看出，隨著機(jī)巷和風(fēng)巷向煤壁采空區(qū)一側(cè)不斷平移的過程中，機(jī)巷和風(fēng)巷逐漸進(jìn)入應(yīng)力降低區(qū)，機(jī)巷和風(fēng)巷的變形量也逐漸減少，這樣有利于巷道的維護(hù)，減少巷道的支護(hù)費(fèi)用，提高巷道的使用壽命和安全性。

圖4　傾斜煤層開采后巷道周圍垂直應(yīng)力分布

圖5為不同位置下風(fēng)巷和機(jī)巷最大變形量變化曲線。從圖5可以得出，在機(jī)巷和風(fēng)巷向采空區(qū)側(cè)平移的過程中，可以得出機(jī)巷和風(fēng)巷在12～24m進(jìn)入應(yīng)力降低區(qū)。在工程實(shí)踐中，在保障安全的前提下，為了保證工作面的長(zhǎng)度，提高煤炭的采出率，選擇將風(fēng)巷布置在煤壁采空區(qū)一側(cè)10～15m的范圍內(nèi)，與理論計(jì)算和數(shù)值模擬的結(jié)果相符合。

圖5　風(fēng)巷和機(jī)巷最大變形量變化曲線

4　結(jié)　論

(1)保護(hù)層下傾斜煤層回采巷道在煤層回采過程中機(jī)巷周圍圍巖應(yīng)力明顯大于風(fēng)巷，這是由于煤層的傾角較大，造成風(fēng)巷和機(jī)巷周圍的應(yīng)力分布不同。因此兩巷在選擇巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方案時(shí)應(yīng)該區(qū)別對(duì)待，保證煤礦生產(chǎn)安全經(jīng)濟(jì)高效。

(2)機(jī)巷和風(fēng)巷底板的應(yīng)力與頂板和兩幫的應(yīng)力相比較低，因此機(jī)巷和風(fēng)巷的頂板和兩幫易發(fā)生破壞。在風(fēng)巷的右?guī)统霈F(xiàn)應(yīng)力集中，故而風(fēng)巷的右?guī)腿菀装l(fā)生破壞。因此，風(fēng)巷的支護(hù)重點(diǎn)是頂板和兩幫，機(jī)巷支護(hù)時(shí)尤其要加強(qiáng)右?guī)椭ёo(hù)。

(3)在理論計(jì)算中，當(dāng)B6煤采高為1.6m時(shí)，采空區(qū)底板最大破壞深度為13.58m，底板巖體最大破壞深度距煤柱(體)水平距離為10.01m，B6與B4煤相距22m，B4煤回采巷道頂板不會(huì)受到擾動(dòng)破壞的影響。結(jié)合數(shù)值模擬的結(jié)果，B4煤回采巷道在12～24m范圍內(nèi)變形量較小，因此在巷道布置時(shí)要綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件和經(jīng)濟(jì)效益等因素，現(xiàn)場(chǎng)選用在內(nèi)錯(cuò)10～15m的范圍內(nèi)布置回采巷道，與理論計(jì)算和數(shù)值模擬的結(jié)果相符合。

[1]肖福坤，段立群，葛志會(huì).采煤工作面底板破裂規(guī)律及瓦斯抽放應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào)，2010，35(3)：417-419.

[2]潘衛(wèi)東，任志成，孔德中，等.大傾角煤層回采巷道的礦山壓力研究[J].煤礦安全，2014，45(3)：35-37.

[3]孟祥瑞，徐鋮輝，高召寧，等.采場(chǎng)底板應(yīng)力分布及破壞機(jī)理[J].煤炭學(xué)報(bào)，2010，35(11)：1832-1836.

[4]姚寶珠.采空區(qū)下回采巷道圍巖破壞機(jī)理及控制技術(shù)[D].北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，2014.

[5]關(guān)英斌，李海梅，路軍臣.顯德汪煤礦9號(hào)煤層底板破壞規(guī)律的研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2003，28(2)：121-125.

[6]汪國(guó)華.近距離上保護(hù)層開采卸壓范圍及臨界層間距研究[D].焦作：河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，2011.

[7]孫 建.傾斜煤層底板破壞特征及突水機(jī)理研究[D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2011.

[8]錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[9]肖福坤，盧高明，申志亮，等.深部礦井傾斜煤層采空區(qū)下回采巷道布置的數(shù)值模擬[J].黑 龍 江 科 技 學(xué) 院 學(xué) 報(bào)，2013，23(6)：505-509.

[10]張海韋，張農(nóng)，闞甲廣，等．采空區(qū)下軟煤層回采巷道圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)[J]．煤炭科學(xué)技術(shù)，2010，38(8)：25-29.

[責(zé)任編輯：王興庫(kù)]

Layout Position Studying of Mining Roadway with Inclined Coal Seam under Protective Layers

HE Zeng-yuan

(Energy and Safety School，Anhui University of Science & Technology，Huainan 232001，China)

The floor could be destroyed by stress concentration that caused by coal seam mining，floor stress filed and destroyed depth were the main factors，which decided roadway position under contiguous seams，with the geological situation of mining roadway of 4671B4 working face in Xieyi coal mine，the maximal destroyed depth and plastic influenced scope of upper coal pillar was determined by slip line field theory after upper protective layer B6 coal seam was mined.The mechanical characters of surrounding rock under different positions and the maximal displacement of air roadway were analyzed by software FLAC3D，then the reasonable of internal misaligned arrangement was verified by practical in filed.

mining roadway；floor destroyed depth；slip line field theory；numerical simulation

2016-04-18

國(guó)家自然科學(xué)基金(51374013)；高等學(xué)校博士點(diǎn)基金(20133415110006)；霍英東教育基金( 121050 ); 安徽省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(1604a0802107); 高校優(yōu)秀拔尖人才培育資助項(xiàng)目(gxbjZD2016051)；安徽高?？蒲衅脚_(tái)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目; 安徽省學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人及后備人選學(xué)術(shù)科研活動(dòng)資助經(jīng)費(fèi)

賀增源(1991-)，男，湖南永州人，在讀研究生，主要從事礦山壓力及其控制和巷道支護(hù)方面的研究。

TD263.1

A

1006-6225(2016)05-0040-04

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.05.012

[引用格式]賀增源.保護(hù)層下傾斜煤層回采巷道布置位置的研究[J].煤礦開采，2016，21(5)：40-43.