楊偉名，朱衛(wèi)兵，齊祥瑞

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 深部煤炭資源開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

淺埋多次采動(dòng)煤柱下雙巷變形特征研究

楊偉名，朱衛(wèi)兵，齊祥瑞

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 深部煤炭資源開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

針對(duì)活雞兔井寬煤柱下雙巷因上下煤層同步開采而經(jīng)歷多次采動(dòng)影響的問(wèn)題，采用FLAC3D數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法，對(duì)35m寬煤柱下的雙巷變形特征進(jìn)行研究。結(jié)果表明：上煤層工作面采后煤柱下巷道頂?shù)装謇塾?jì)變形量為56mm，下煤層工作面開采后巷道受4次采動(dòng)影響的頂?shù)装謇塾?jì)變形量約為201mm，巷道變形速度在工作面超前15m處均開始加快，但煤柱下巷道受下煤層采動(dòng)影響的變形增量大于受上煤層采動(dòng)影響的變形增量?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明，經(jīng)歷第4次采動(dòng)影響下的巷道在距離工作面15～30m處變形速度加快，最終頂?shù)装逡平績(jī)H增加32mm，兩幫移近量?jī)H增加24mm，巷道變形量極小，可保障礦井的安全高效生產(chǎn)，并為類似條件下礦井的巷道維護(hù)提供借鑒。

淺埋煤層；多次采動(dòng)；寬煤柱；巷道變形；同步開采

神東礦區(qū)地處陜蒙晉交界，是典型的淺埋多煤層賦存地區(qū)，具備實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度開采的優(yōu)良地質(zhì)條件。但部分礦井煤層距離很近，層間距最小處僅為0.8m，導(dǎo)致采空區(qū)下的回采巷道無(wú)法使用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方式，大幅度地降低了成巷速度，影響工作面生產(chǎn)效率。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)極近距離煤層回采巷道的合理布置問(wèn)題作出了相關(guān)的研究[1-7]，一般認(rèn)為將下部煤層回采巷道布置在上部殘留煤柱形成的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，避開煤柱壓力集中區(qū)使巷道穩(wěn)定性較強(qiáng)[8]，陳蘇社等還認(rèn)為巷道的穩(wěn)定性受埋深、層間巖性等因素影響，并研究了不同埋深下巷道受3次采動(dòng)影響的變形特征[9]。

以大柳塔礦活雞兔礦井為例，下煤層回采巷道掘出后上下工作面保持一定錯(cuò)距同時(shí)回采。由于對(duì)極近距離煤層煤柱下雙巷布置的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足，為保證安全生產(chǎn)，研究決定將上煤層的區(qū)段煤柱留設(shè)寬度為35m。開采實(shí)踐表明下煤層巷道受到3次采動(dòng)影響的累計(jì)變形量小，不影響巷道的正常使用。當(dāng)下煤層工作面繼續(xù)開采時(shí)，巷道受到第4次采動(dòng)影響，開采格局形成臨空巷道，且部分其他礦區(qū)的研究結(jié)果表明臨空巷道有大變形現(xiàn)象[10]，神東礦區(qū)類似地質(zhì)條件下的采場(chǎng)及調(diào)節(jié)巷道也都曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)冒頂事故[11-12]，研究人員對(duì)神東礦區(qū)臨空巷道變形量的認(rèn)識(shí)較少[13]，而且并未對(duì)巷道受4次采動(dòng)影響的變形特征進(jìn)行過(guò)研究，為確保安全高效開采的順利進(jìn)行，迫切需要對(duì)此問(wèn)題加以研究。鑒于此，本文將采用數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法研究上煤層2個(gè)工作面、下煤層相鄰工作面及本工作面的開采對(duì)煤柱下巷道變形的影響。

1 礦井開采條件

大柳塔礦活雞兔井三盤區(qū)1-2上煤和1-2煤為極近距離淺埋煤層，1-2煤埋深為107m。12314回風(fēng)平巷和12315運(yùn)輸平巷提前掘出，兩煤層工作面保持一定錯(cuò)距同時(shí)回采，其中12315運(yùn)輸平巷位于12312采空區(qū)與12313采空區(qū)之間的35m寬煤柱下，如圖1所示。工作面對(duì)應(yīng)地表主要由沙、土覆蓋，無(wú)基巖出露，上覆基巖厚度60～110m，平均80m，松散層厚度5～10m，平均6m。初采期0～1500m范圍內(nèi)的1-2上煤與1-2煤層間距0.8～12m，在12314回風(fēng)平巷和鄰近12315運(yùn)輸平巷位置，煤層間距僅1m左右。

圖1 12314與12315工作面剖面

2 數(shù)值模擬研究

為了研究活雞兔井12315工作面的運(yùn)輸平巷因上下煤層工作面同時(shí)回采而受到4次采動(dòng)影響的巷道變形特征，采用FLAC3D計(jì)算軟件進(jìn)行模擬分析。

2.1 模型的建立

根據(jù)活雞兔礦井工作面綜合柱狀圖構(gòu)建計(jì)算模型。模型的走向長(zhǎng)度為300m，傾斜長(zhǎng)度300m，模型高度103m，其中下煤層底板到模型頂界面距離為84m，由于現(xiàn)場(chǎng)1-2煤埋深107m，需在模型頂界面加均布載荷達(dá)到增加埋深的效果?？紤]到下煤層12314工作面的回風(fēng)平巷及12315運(yùn)輸平巷附近煤層間距為1～2m，厚度不均勻，因此模型擬用2m的層間距進(jìn)行研究。

模型中巷道頂板采用5排錨桿支護(hù)，錨桿長(zhǎng)2.1m，間排距為1000mm×1000mm；頂板還設(shè)有4排錨索，錨索長(zhǎng)8m，間排距1500mm×1500mm。煤壁正副幫各有4排錨桿，間排距均為900mm×1000mm，其中副幫錨桿長(zhǎng)1.6m，正幫錨桿長(zhǎng)1.8m，與現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)基本一致。

為了研究下煤層運(yùn)輸平巷受4次采動(dòng)影響的變形情況，將巷道圍巖劃成0.5m×10m×1m的塊體。數(shù)值計(jì)算采用Mohr-Coulomb彈塑性屈服準(zhǔn)則進(jìn)行模擬計(jì)算，煤巖體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

2.2 模型開采過(guò)程

首先掘出煤巷1和2，巷道寬度為5.5m，高度為3m，上煤層區(qū)段煤柱為35m，下煤層巷道3和4分別與煤柱邊界外錯(cuò)4.5m，此時(shí)下煤層區(qū)段煤柱為15m。在巷道3和4的走向方向150m處頂?shù)装逡约皟蓭筒贾帽O(jiān)測(cè)點(diǎn)。煤巷3和4每次掘進(jìn)10m。接著模擬工作面正常開挖階段，上煤-1面左側(cè)留有30m煤柱，沿著走向方向每循環(huán)開挖20m，以同樣的方法模擬開挖上煤-2面及下煤-1面，下煤-2面挖至140m后停止開挖，如圖2所示。根據(jù)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果，分析巷道3和4受多次采動(dòng)影響下的變形特征。

圖2 監(jiān)測(cè)巷道與測(cè)點(diǎn)布置示意

2.3 巷道3受3次采動(dòng)影響后變形特征分析

以巷道3的150m處測(cè)點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，工作面與基準(zhǔn)點(diǎn)的相對(duì)位置為橫坐標(biāo)，其中負(fù)值表示在工作面推進(jìn)過(guò)程中，測(cè)點(diǎn)位于煤壁一側(cè)與工作面所在平面的垂直距離，正值表示測(cè)點(diǎn)位于采空區(qū)一側(cè)與工作面所在平面的垂直距離。工作面推進(jìn)至不同位置時(shí)煤柱下巷3變形曲線見(jiàn)圖3。

圖3 巷3受3次采動(dòng)影響變形曲線

由圖3可以看出：上煤-1面開采時(shí)，從工作面推進(jìn)至所布測(cè)點(diǎn)前15m處開始巷3變形速度加快，開采完成后，巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平糠謩e為22.63mm和12.06mm，變形較緩和。上煤-2面開采對(duì)巷3變形特征的影響與上煤-1面相同，均在工作面推進(jìn)至所布測(cè)點(diǎn)前15m處開始巷3變形速度加快，但上煤-2面的開采對(duì)巷3變形量影響較大，開采結(jié)束后巷道頂?shù)装逡平吭黾拥?6.78mm，兩幫移近量增加到42.76mm。可以判斷巷道變形量加速增大是由于在工作面推進(jìn)過(guò)程中，采空區(qū)與巷道之間產(chǎn)生應(yīng)力集中的結(jié)果。下煤-1面開采至測(cè)點(diǎn)前10m處時(shí)，巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平糠謩e為119.6mm和86.5mm。

2.4 巷道4受4次采動(dòng)影響后變形特征分析

以巷道4的150m處的測(cè)點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，工作面與基準(zhǔn)點(diǎn)的相對(duì)位置為橫坐標(biāo)，其中負(fù)值表示在工作面推進(jìn)過(guò)程中，測(cè)點(diǎn)位于煤壁一側(cè)與工作面所在平面的垂直距離，正值表示測(cè)點(diǎn)位于采空區(qū)一側(cè)與工作面所在平面的垂直距離。工作面推進(jìn)至不同位置時(shí)煤柱下巷4變形曲線見(jiàn)圖4。

由圖4可以看出：上煤-1工作面開采完成后巷4變形量較小，巷道頂?shù)装逡平繛?2mm，兩幫移近量為4mm。上煤-2面開采時(shí)，從工作面推進(jìn)至測(cè)點(diǎn)前15m處開始巷道變形速度加快，巷4頂?shù)装逡平孔罱K穩(wěn)定為56mm，兩幫移近量為40.1mm。由于上煤-2面在巷4的正上方，所以上煤-2面開采對(duì)巷4變形影響的增量大于上煤-1面，而巷4作為下煤-1面的鄰近巷道，受到下煤-1面采動(dòng)影響的變形增量要比上煤層工作面采動(dòng)對(duì)巷4影響的變形增量大，所以在下煤-1面開采完成后，巷4頂?shù)装逡平繌?6mm增加到149.2mm，兩幫移近量從40.1mm增加到125.2mm。在下煤-2面推進(jìn)至測(cè)點(diǎn)前10m處時(shí)，巷4頂?shù)装逡平繛?01.6mm，兩幫移近量為180.23mm。

圖4 巷4受4次采動(dòng)影響變形曲線

綜上所述，巷道變形量受上煤層工作面開采影響較?。幌锏雷冃嗡俣仍诠ぷ髅娉?5m處開始加快；最終模擬巷道經(jīng)歷4次采動(dòng)影響的頂?shù)装謇塾?jì)變形量約為201mm，兩幫累計(jì)移近量約為180mm。

3 工程效果驗(yàn)證

12315運(yùn)輸平巷凈寬5.0m，凈高3.8m，頂板為錨桿、錨索、金屬網(wǎng)支護(hù)，煤壁副幫為錨桿、金屬網(wǎng)和圓鋼鋼帶支護(hù)，正幫為玻璃鋼錨桿、塑料網(wǎng)支護(hù)。頂板采用5排錨桿支護(hù)，錨桿長(zhǎng)2.1m，直徑16mm，間排距為1000mm×1000mm；頂板有4排錨索，錨索長(zhǎng)8m，直徑17.8mm，間排距1500mm×1500mm。煤壁正副幫各有4排錨桿，間排距均為1000mm×1000mm，其中副幫錨桿長(zhǎng)1.6m，直徑16mm，正幫錨桿長(zhǎng)1.8m，直徑18mm。

經(jīng)實(shí)測(cè)，下煤層12315運(yùn)輸平巷經(jīng)歷上煤層12312，12313工作面及下煤層12314工作面的3次采動(dòng)影響后頂?shù)装謇塾?jì)移近量約為50mm，其中12314工作面開采時(shí)12315運(yùn)輸平巷受第3次采動(dòng)影響的頂?shù)装逡平考s為9mm[9]。為掌握12315運(yùn)輸平巷受本工作面第4次采動(dòng)影響的變形情況，在工作面前方布置4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)對(duì)巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷淖冃芜M(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖5所示，4個(gè)測(cè)點(diǎn)分別距離切眼162，172，181和186m，并分別命名為1，2，3和4號(hào)測(cè)點(diǎn)。12315運(yùn)輸平巷變形量實(shí)測(cè)結(jié)果如圖6所示。

圖5 12315運(yùn)輸平巷測(cè)點(diǎn)布置位置

圖6 12315運(yùn)輸平巷變形量實(shí)測(cè)結(jié)果

由圖6(a)可知，12315運(yùn)輸平巷頂板從距離工作面50m左右開始變形，隨著工作面的推進(jìn)，變形速度開始加快；當(dāng)距離工作面15～30m左右時(shí)，頂?shù)装逡平俣容^快，最終測(cè)得變形范圍為20～32mm。

由圖6(b)可知，12315運(yùn)輸平巷兩幫也從距離工作面50m左右開始變形，當(dāng)距離工作面25m時(shí)變形速度開始加快，最終巷道兩幫移近量范圍為13～24mm。

由監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，雖然12315運(yùn)輸巷布置在上煤層區(qū)段煤柱下方，但其變形量依然較小，其中頂?shù)装遄畲笠平繛?2mm，兩幫最大移近量為24mm。與數(shù)值模擬結(jié)果相符，因此實(shí)際巷道變形情況證實(shí)了該模擬的效果。

4 結(jié) 論

(1)數(shù)值模擬結(jié)果表明：上煤層開采對(duì)35m寬煤柱下巷道變形影響較??；作為臨空巷時(shí)，巷道受第4次采動(dòng)影響的變形量較??；巷道經(jīng)歷4次采動(dòng)影響后累計(jì)變形量約為201mm。

(2)活雞兔井下煤層工作面開采后，實(shí)測(cè)12315運(yùn)輸平巷受鄰近12314工作面第3次采動(dòng)影響頂?shù)装逡平繛?mm，受本工作面第4次采動(dòng)影響頂?shù)装逡平績(jī)H為32mm，兩幫移近量?jī)H為24mm，與模擬結(jié)果一致，能夠滿足礦井安全高效開采。

[1]索永錄，商鐵林，鄭 勇，等.極近距離煤層群下層煤工作面巷道合理布置位置數(shù)值模擬[J].煤炭學(xué)報(bào)，2013，38(2)：277-282.

[2]安宏圖.極近距離煤層采空區(qū)下回采巷道布置與圍巖控制技術(shù)研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2015.

[3]張 煒，張東升，陳建本，等.極近距離煤層回采巷道合理位置確定[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，41(2)：182-189.

[4]李宏星，丁國(guó)利，張小強(qiáng)，等.極近距離煤層回采巷道外錯(cuò)布置方式的合理錯(cuò)距[J].煤礦安全，2014，45(7)：41-44.

[5]張 飛，陳紹祥，薛永生，等.極近距離下位煤層采準(zhǔn)巷道合理位置研究[J].煤炭技術(shù)，2015，34(4)：86-89.

[6]都 鋒.極近距離煤層同采工作面順槽外錯(cuò)布置合理位置研究[J].煤礦安全，2014，45(8)：53-56.

[7]蔣力帥，劉洪濤，連小勇，等.淺埋中厚煤層護(hù)巷煤柱合理寬度研究[J].煤礦開采，2012，17(4)：105-108.

[8]孔德中，王兆會(huì)，任志成.近距離煤層綜放回采巷道合理位置確定[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2014，31(2)：270-276.

[9]陳蘇社，朱衛(wèi)兵.活雞兔井極近距離煤層煤柱下雙巷布置研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2016，33(3)：467-474.

[10]董正坤，馮宇峰，林來(lái)彬，等.特厚煤層綜放開采側(cè)方臨空覆巖空間結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律及煤柱寬度研究[J].煤礦開采，2015，20(6)：6-9.

[11]許家林，朱衛(wèi)兵，鞠金峰，等.采場(chǎng)大面積壓架冒頂事故防治技術(shù)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2015，43(6)：1-8.

[12]朱衛(wèi)兵，任冬冬，陳 夢(mèng).神東礦區(qū)回撤階段調(diào)節(jié)巷適用的合理埋深研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2015，32(2)：279-284.

[13]何富連，薄云山，李通達(dá)，等.淺埋堅(jiān)硬煤層工作面超前支護(hù)技術(shù)研究[J].煤炭工程，2014，46(7)：70-73.

[14]鄭朋強(qiáng)，李成成，張兆民.斷層附近回采工作面采動(dòng)應(yīng)力分布規(guī)律研究[J].煤，2011，20(2)：1-2，5.

[責(zé)任編輯：姜鵬飛]

Double Roadway Deformation Characters Under Coal Pillar with Many Mining and in Shallow

YANG Wei-ming,ZHU Wei-bing，QI Xiang-rui

(1.Mine Engineering School，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China；2.Education Ministry Key Laboratory of Deep Coal Resources Mining,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116，China )

To many mining process problems of double roadways as upper and lower coal seam synchronous mining under wide coal pillar of Huojitu mine，field test and numerical simulation was applied，and the double roadways deformation characters under 35m width coal pillar was studied.The results showed that the total deformation amount between roof to floor of roadway would reached 201mm，which under coal pillar after upper coal seam working face mining，roadway deformation speed began accelerate at advanced 15m of working face，but the deformation amount that roadway influenced by lower coal seam under coal pillar than upper coal seam.The field test showed roadway deformation speed accelerate at the position 15～30m to working face after four mining influence，the final roof to floor sag increased only 32mm，and two sides convergence increased only 24mm，roadway deformation amount minimum，it could guaranteed for mine safety and production high efficiency，and references for similar situation.

coal seam in shallow，many mining ，wide coal pillar，roadway deformation，synchronous mining

2016-10-26

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.03.014

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)項(xiàng)目(2013CB227900)

楊偉名(1993-)，男，江蘇徐州人，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)閹r層移動(dòng)與綠色開采。

楊偉名，朱衛(wèi)兵，齊祥瑞.淺埋多次采動(dòng)煤柱下雙巷變形特征研究[J].煤礦開采，2017，22(3)：45-48.

TD322.4

A

1006-6225(2017)03-0045-04