孫建文

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四臺(tái)礦，山西 大同 037003)

引 言

厚煤層在我國(guó)具有較高的煤炭產(chǎn)量，對(duì)于經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展具有重要的作用。在進(jìn)行厚煤層開采時(shí)，常采用長(zhǎng)臂式分層開采的方式，傳統(tǒng)的長(zhǎng)臂式分層開采要將連續(xù)回采的工作面區(qū)段及進(jìn)風(fēng)與回風(fēng)巷連接在同一層位上，相鄰的工作面之間預(yù)留相應(yīng)的煤柱，下層的煤柱要大于上層的煤柱從而形成有效的支撐，這種方式布置的巷道使得區(qū)段煤柱無法采出，降低了煤炭的產(chǎn)出；并且這種布置方式使得煤柱內(nèi)容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成回采巷道的垮塌，增加了巷道維護(hù)的難度，不利于礦井的持續(xù)開采[1]。針對(duì)分層開采過程中，巷道的不同分布方式進(jìn)行模擬分析，以得到最好的巷道分布，提高礦井的產(chǎn)出率，并提高巷道的支護(hù)技術(shù)。

1 分層開采巷道分布數(shù)值模型的建立

對(duì)厚煤層進(jìn)行分層開采，巷道布置有內(nèi)錯(cuò)式、外錯(cuò)式及重疊式三種不同的方式，內(nèi)錯(cuò)式分布指下層的巷道分布在上層工作面內(nèi)部，與上層煤柱間留有一定的距離形成正梯形的煤柱，這種方式形成的煤柱尺寸逐步增加，下層的工作面也變短，使得礦井的回采率有所降低，但這種方式可以將巷道分布在卸壓區(qū)內(nèi)，利于巷道的掘進(jìn)及維護(hù)，增加其使用壽命[2]；外錯(cuò)式巷道是指下層的巷道布置在上層巷道的外側(cè)，是倒梯形的分布，這種方式可以減小煤柱的尺寸，延長(zhǎng)巷道的工作面，從而可以提高工作面的回采率，但這種分布方式承受較大的圍巖壓力作用，不利于巷道的掘進(jìn)與維護(hù)[3]；重疊式的分布是在同一垂直方向上進(jìn)行上下層的巷道分布，由于重疊式的巷道分布在上層巷道的正下方位置處，不利于下層巷道的掘進(jìn)，在采出上沒有明顯的優(yōu)勢(shì)，因此在分析過程中，針對(duì)內(nèi)錯(cuò)式及外錯(cuò)式兩種不同的方式進(jìn)行分析。

下層的巷道布置在采空區(qū)的應(yīng)力降低區(qū)域內(nèi)，但由于巷道的變形及壓力較大，使得巷道一側(cè)的變形要遠(yuǎn)大于另一側(cè)，增加了巷道的維護(hù)成本，對(duì)于巷道的分布，下層巷道的設(shè)置要綜合考慮選取合理的位置。設(shè)定上層的工作面開采完畢，且巷道變形達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)下層巷道的分布采用FLAC3D進(jìn)行仿真分析[4]。

FLAC3D是進(jìn)行巖石及土木分析的數(shù)值分析軟件，可以解決巖層流動(dòng)及熱動(dòng)力學(xué)等非線性問題的仿真模擬。依據(jù)厚煤層賦存條件，建立采場(chǎng)的數(shù)值分析模型，設(shè)定模型的總體尺寸為280 m×150 m×112 m(長(zhǎng)×寬×高)，對(duì)模型設(shè)定相應(yīng)的應(yīng)力邊界，并依據(jù)材質(zhì)的不同，設(shè)定模型的個(gè)組成部分高度，得到煤層的模型如第154頁圖1所示。

2 分層開采巷道分布的數(shù)值分析

2.1 內(nèi)錯(cuò)式巷道數(shù)值分析

對(duì)巷道的分布進(jìn)行數(shù)值分析，由于巷道的影響作用相對(duì)較多，針對(duì)煤層產(chǎn)生的位移進(jìn)行分析對(duì)比。在內(nèi)錯(cuò)為3 m時(shí)，得到煤層的垂直方向位移變化如圖2所示。從圖2中可以看出，巷道的垂直位移主要發(fā)生在煤柱的右上角及原理煤柱位置的左下角位置處[5]。增加內(nèi)錯(cuò)的距離，同樣進(jìn)行相應(yīng)的分析，巷道越靠近煤柱時(shí)，其垂直位移的影響作用越大，垂直位移主要是有煤柱傳遞到下底板引起的變形。在內(nèi)錯(cuò)距離變化的過程中，引起的頂板的下沉量變化如圖3所示。從圖3中可以看出，內(nèi)錯(cuò)距離的增加過程中，在內(nèi)錯(cuò)距離較小時(shí)，頂板的下沉量變化率較大，隨著內(nèi)錯(cuò)距離大于8 m，頂板的下沉量變化率逐漸減小。

圖1 煤巖層分析模型

圖2 內(nèi)錯(cuò)距離3 m時(shí)的垂直位移

圖3 頂板下沉量隨內(nèi)錯(cuò)距離的變化曲線圖

2.2 外錯(cuò)式巷道數(shù)值分析

同樣對(duì)外錯(cuò)式巷道分布的垂直位移進(jìn)行分析，在外錯(cuò)距離為1 m時(shí)得到垂直方向位移變化如圖4所示。從圖4中可以看出，外錯(cuò)分布時(shí)的垂直位移相對(duì)集中，主要位于外錯(cuò)巷道的頂板及上層煤柱的邊緣位置處；同樣改變外錯(cuò)的距離，垂直位置的變化呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，其頂板的下沉量如圖5所示。從圖5中可以看出，頂板的下沉量受到垂直應(yīng)力的作用，呈現(xiàn)先降低后增加的變化[6]。在外錯(cuò)距離3.5 m左右時(shí)，頂板的下沉量最小，然后隨著外錯(cuò)距離的增加，頂板下沉量呈現(xiàn)急劇增加，這時(shí)容易造成頂板的塌陷，引發(fā)一定的安全事故。

圖4 外錯(cuò)距離1 m時(shí)的垂直位移

圖5 頂板下沉量隨外錯(cuò)距離的變化曲線圖

通過上述的分析可知，在上煤層開采完成的情況下，對(duì)于下煤層的巷道布置，采用內(nèi)錯(cuò)式分布時(shí)，內(nèi)錯(cuò)距離的增加，會(huì)降低頂板的垂直方向的下沉量，但這種降低的趨勢(shì)逐漸平緩，降低作用逐漸減弱；在采用外錯(cuò)式分布時(shí)，外錯(cuò)距離的增加，使得頂板的下沉量呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，并在外錯(cuò)距離大時(shí)，急劇地產(chǎn)生下沉，容易造成頂板的塌陷。

對(duì)于巷道的分布產(chǎn)生的影響，還有諸多的因素，包括水平方向的位移及垂直和水平方向上的應(yīng)力情況，圍巖的塑性破壞情況等，由于巷道的分布不同，對(duì)頂板的支護(hù)作用主要體現(xiàn)在垂直方向上，因此，文中僅對(duì)垂直方向的位移及頂板的變化進(jìn)行分析。

3 結(jié)論

厚煤層進(jìn)行分層開采時(shí)，巷道的分布方式對(duì)于煤層的采出率及巷道的掘進(jìn)和維護(hù)具有重要的影響。針對(duì)分層開采過程中內(nèi)錯(cuò)式及外錯(cuò)式兩種不同的分布方式，針對(duì)垂直方向的位移及頂板的變形量進(jìn)行分析，結(jié)果表明，在進(jìn)行內(nèi)錯(cuò)式分布時(shí)，內(nèi)錯(cuò)距離以8m為宜，這時(shí)的巷道布置大于支撐壓力的作用，且分布較為均勻，隨著內(nèi)錯(cuò)距離的增加，頂板的變形作用較小且減小緩慢，這時(shí)可以最大地提高工作面的長(zhǎng)度；在進(jìn)行外錯(cuò)式分布時(shí)，以3.5 m的外錯(cuò)距離為宜，此時(shí)頂板的下沉量最小，并且應(yīng)力分布較為均勻，有利于巷道的掘進(jìn)和維護(hù)。在進(jìn)行厚煤層的分層開采時(shí)，要根據(jù)煤層的賦存條件，確定下層巷道的分布方式，提高礦井的采出率，并提高巷道的壽命，保證礦井的安全。