裴 斌

（山西省晉神能源生產(chǎn)服務(wù)中心，山西 忻州 034000）

近距離煤層在回采時(shí)，上煤層回采引起工作面回采區(qū)域內(nèi)圍巖應(yīng)力的重新分布，不僅造成區(qū)域內(nèi)煤層應(yīng)力集中，而且造成底板巖層巷道或近距離下煤層巷道變形加劇，巷道兩幫與頂板接觸面之間的內(nèi)摩擦角和粘結(jié)系數(shù)變小，不易形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。因此，上下煤層工作面的位置關(guān)系與回采巷道布置問題是近距離煤層高效開采急需解決難題之一。

1 工程概況

晉神能源沙坪煤礦13#煤層上部存在8#煤層采空區(qū)，8#煤層底板距13#煤層頂板平均為50.5m，8#煤層采空區(qū)遺留煤柱可能會(huì)給13#煤層回采巷道的穩(wěn)定性帶來(lái)影響。根據(jù)礦山壓力傳遞規(guī)律，上煤層區(qū)段煤柱所形成支承壓力在底板巖層內(nèi)將有一定的傳遞范圍，而且隨遠(yuǎn)離煤層而逐漸衰減。因此，13號(hào)煤層工作面巷道應(yīng)布置在支承壓力影響線之外，才能避開8號(hào)煤煤柱集中應(yīng)力的影響，如圖1所示。根據(jù)圖1，13#煤工作面巷道內(nèi)錯(cuò)距離Ln為：

Ln≥(h1+h2)tanφ

式中：

Ln-8#煤區(qū)段煤柱邊界與13煤工作面巷道的水平間距，m；

φ-應(yīng)力傳播影響角，20°；

h1-8煤與13煤間巖層厚度，按最小50m；

h2-13煤煤層厚度，16.84m。

經(jīng)計(jì)算得Ln≥19m，即13#煤巷道應(yīng)內(nèi)錯(cuò)至少19m布置。

2 13#煤巷道布置方式模擬分析

為了分析合理的13#煤巷道布置方式，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件研究8#煤回采動(dòng)壓影響下的13#煤巷道布置方式問題。

區(qū)段煤柱的兩側(cè)分別是兩個(gè)相鄰的8#煤回采工作面，8#煤層回采遺留煤柱寬度設(shè)為20m，采用的內(nèi)錯(cuò)距離方案如下：0m、15m、25m、35m等共4個(gè)方案。根據(jù)模擬結(jié)果，13#煤巷道與8#煤煤柱間應(yīng)力分布情況如圖2所示。

分析圖2可知受區(qū)段煤柱集中應(yīng)力的影響。13#煤巷道與煤柱水平錯(cuò)距越大，巷道深部圍巖所處的應(yīng)力越低。當(dāng)13#煤巷道布置在煤柱的正下方時(shí)，巷道深部圍巖應(yīng)力處于4MPa應(yīng)力區(qū)域；當(dāng)13#煤巷道內(nèi)錯(cuò)煤柱中心線25m布置時(shí)，巷道深部圍巖應(yīng)力降低至2MPa；當(dāng)13#煤巷道內(nèi)錯(cuò)煤柱中心線35m布置時(shí)，巷道深部圍巖應(yīng)力降低至1MPa以內(nèi)，此時(shí)巷道避開了煤柱下方的高應(yīng)力區(qū)，進(jìn)入一個(gè)應(yīng)力相對(duì)較低的區(qū)域，隨著13#煤巷道與煤柱中心線內(nèi)錯(cuò)距離的進(jìn)一步增大，周圍應(yīng)力環(huán)境已無(wú)太大變化。

因此，在8#煤煤柱集中應(yīng)力的影響下，13#煤巷道合理布置的方式應(yīng)該是內(nèi)錯(cuò)于煤柱中心線25m的距離，內(nèi)錯(cuò)于煤柱邊界15m的距離，使煤柱位于13號(hào)煤層工作面上方。

圖2 區(qū)段煤柱應(yīng)力分布狀態(tài)圖

3 13#煤層區(qū)段煤柱寬度

為了分析合理的煤柱寬度留設(shè)，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件研究區(qū)段煤柱寬度留設(shè)問題。

區(qū)段煤柱的兩側(cè)分別是兩個(gè)相鄰的13#煤回采工作面。

模擬采用的各巖層根據(jù)沙坪煤礦13#煤柱狀圖建立。本次模擬底板厚度為20m，煤層厚度為17m。區(qū)段煤柱寬度留設(shè)采用的方案如下：6m、10m、15m、20m、25m、30m等共6個(gè)方案。區(qū)段煤柱的破壞狀態(tài)分析如圖3所示。

分析圖3可知，受工作面回采影響，煤柱兩側(cè)內(nèi)部塑性區(qū)破壞范圍均達(dá)到2m，至煤柱寬度為20m時(shí)，塑性破壞區(qū)沒有連通，煤柱繼續(xù)減小時(shí)，塑性破壞導(dǎo)致的煤壁變形急劇增加。從破壞區(qū)域來(lái)看，15m煤柱兩側(cè)塑性破壞區(qū)已經(jīng)徹底貫通，區(qū)段煤柱在下一個(gè)工作面回采前能夠保持煤柱內(nèi)部未產(chǎn)生塑性區(qū)破壞的最小煤柱寬度可參考區(qū)段煤柱的模擬結(jié)果，即不小于20m，可以滿足煤柱長(zhǎng)期保持相對(duì)完好，不產(chǎn)生煤柱的整體失穩(wěn)。

圖3 區(qū)段煤柱破壞狀態(tài)圖

統(tǒng)計(jì)分析區(qū)段煤柱內(nèi)的應(yīng)力分布情況如圖4。煤柱寬度從40m降低至12m時(shí)，區(qū)段煤柱內(nèi)的應(yīng)力分布仍呈現(xiàn)雙峰狀，到煤柱寬度低于12m后，煤柱內(nèi)的應(yīng)力分布呈現(xiàn)單峰狀。不同寬度區(qū)段煤柱內(nèi)，應(yīng)力集中水平和煤柱內(nèi)應(yīng)力水平隨區(qū)段煤柱寬度減小呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。分析后期應(yīng)力集中降低的原因，認(rèn)為是整個(gè)煤柱發(fā)生了塑性破壞所致。

從圖4中可見，煤柱寬度不小于20m時(shí)，區(qū)段煤柱彈性核區(qū)寬度可以達(dá)到8m，滿足煤柱穩(wěn)定性要求；煤柱寬度為15m時(shí)，支承壓力峰值區(qū)開始疊加，煤柱彈性核區(qū)應(yīng)力明顯增大；煤柱寬度12m時(shí)，應(yīng)力集中峰值與較大煤柱寬度相比差別不大，應(yīng)力集中系數(shù)基本維持在1.45～1.86，但煤柱寬度10m以后的應(yīng)力峰值迅速降低，應(yīng)力集中系數(shù)迅速降低至1.08左右。分析煤柱寬度10m以下時(shí)煤柱應(yīng)力的變化，認(rèn)為煤柱在10m以后發(fā)生了塑性破壞導(dǎo)致應(yīng)力分布發(fā)生急劇變化所致。分析可見，從煤柱核區(qū)寬度角度，區(qū)段煤柱寬度應(yīng)不小于20m，再加上兩側(cè)塑性區(qū)寬度5m，13#煤工作面合理區(qū)段煤柱寬度為25m。

圖4 不同寬度區(qū)段煤柱應(yīng)力分布圖

4 結(jié)論

（1）在8#煤煤柱集中應(yīng)力的影響下，13#煤巷道內(nèi)錯(cuò)于煤柱中心線25m，內(nèi)錯(cuò)于煤柱邊界15m，使8#煤煤柱位于13號(hào)煤層工作面上方。

（2）從煤柱核區(qū)寬度及兩側(cè)塑性區(qū)寬度角度考慮，13#煤工作面合理區(qū)段煤柱寬度為25m。