武華杰

(太原東山煤電集團 生產(建設)技術處，山西 太原 030000)

近年來，隨著煤炭產能的不斷提高，對資源的合理利用與開采安全性提出了更高的要求[1-3]。特別是近距離煤層開采，由于下煤層巷道布置的不合理，導致上煤層遺留煤柱形成的支撐壓力對下煤層工作面巷道的穩(wěn)定性造成了不利影響，為礦山安全開采帶來困難[4-6]，這就需要對近距離煤層遺留煤柱影響下巷道合理布置方法進行研究。

在這方面的研究中，耿春喜采用理論分析、數值模擬以及現場實測的方法對山西某礦近距離煤層8號、9號煤層回采巷道位置選擇進行了研究，確定兩煤層回采巷道合理錯距為9 m[7]；王恩博通過分析上煤層遺留煤柱在煤層底板中的應力傳播規(guī)律，計算出巷道與煤柱的內錯距離應該大于12.8 m[8]；李國棟等采用理論計算和UDEC數值模擬相結合的方法,研究了3106工作面回采巷道合理布置及圍巖控制方法，指出回采巷道布置在距殘留煤柱邊緣15 m處，給出了高強度錨桿(索)關鍵部位協(xié)同支護方案[9]。

本文以某礦近距離煤層開采為研究背景，分析了上煤層遺留煤柱下底板應力分布特征，在此基礎上通過數值模擬分析，研究了下煤層工作面合理巷道布置方法，以實現該礦近距離煤層安全高效開采。

1 工作面概況

東山煤電某煤礦2603綜采工作面位于東二采區(qū)6號煤層，煤層產狀較平緩，傾角為1～7°，工作面走向長度1 300 m，傾斜長度180 m，工作面間留有30 m寬保護煤柱，2603工作面煤巖綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 煤巖綜合柱狀圖

6號煤層下方為5號煤層，其中2503工作面西側為2501工作面，東側為2505工作面，上部為2603工作面采空區(qū)，該工作面還未進行開采，工作面間留有15 m寬保護煤柱。2503工作面與2505工作面回采巷道屬于典型的近距離煤層群復雜應力下的回采巷道。兩煤層工作面空間位置關系見圖2。

圖2 各工作面空間位置關系圖

對于近距離煤層的開采，受回采巷道、工作面及煤柱空間分布的影響，往往導致礦壓顯現復雜、巷道維護困難、采掘接替緊張以及煤炭資源損失嚴重等問題。究其根本原因在于開采擾動影響下，煤層之間產生的復雜應力場和位移場對巷道穩(wěn)定性的影響，特別是當巷道布置與各煤層開采的時空關系不合理時尤其嚴重，為此需要研究近距離煤層開采巷道合理布置方法，以保證礦山安全高效開采。

2 底板巖層應力分布特征

近距離煤層回采巷道所受應力與單一煤層開采不同，主要體現在三個方面：其一，受本工作面巷道掘進與工作面回采影響；其二，受其上部工作面回采影響；其三，受上煤層遺留煤柱產生的支撐應力影響，不同作用階段導致回采巷道呈現多應力變化特征。該礦5號煤層2503與2505工作面巷道位于上煤層開采及遺留煤柱影響范圍內，在采動壓力作用下，應力多次重新分布，導致巷道圍巖穩(wěn)定性顯著下降。因此，上煤層工作面回采對下工作面巷道穩(wěn)定性具有重要的影響。

由于5號煤層2503與2505工作面巷道位于6號煤層2603與2605工作面下方，5號煤層兩工作面間留有30 m寬的煤柱，形成兩側采空區(qū)條件，上煤層回采不僅會對近區(qū)域內煤體(柱)形成應力集中，還會將一部分應力傳導至其下部一定范圍的頂板巖層中，應力分布情況見圖3?？梢钥闯?，對于兩側采空條件，作用在煤柱上的支承壓力表現為“凸”形發(fā)展特征，位于煤柱正下方的底板巖層所受垂直應力最大，隨著煤柱距底板巖層距離的增加，煤柱作用于應力傳播影響范圍也逐漸擴大，應力影響程度逐漸減小。

圖3 遺留煤柱底板巖層應力分布情況示意

該礦上部6號煤層回采完成后，所遺留的煤柱將對底板一定區(qū)域施加垂直應力作用，由圖2可以看出，6號煤層2603與2605工作面間的遺留煤柱正好位于5號煤層2503工作面巷道正上方。根據應力狀態(tài)分析結果，該巷道正處于上煤層煤柱應力集中作用區(qū)；同時，2505工作面機巷也位于底板巖層應力影響區(qū)域內，兩巷道中間僅留設15 m寬煤柱，巷道的穩(wěn)定性必然遭受影響，為此需要分析巷道合理的布置方法，以避開上煤柱支撐壓力影響區(qū)。

3 數值模擬分析

3.1 數值建模方案

為了分析近距離煤層開采下煤層巷道合理布置方法，本文采用數值模擬手段進行研究，根據煤巖層綜合柱狀圖，進行模型幾何參數設定，采用摩爾-庫侖模型。對于模型邊界條件的約束，左右邊界約束水平位移，下部邊界約束垂直位移。煤巖體物理力學參數見表1。

表1 煤巖體物理力學參數

通過構建數值分析模型，研究5號煤層2503工作面回采巷道與上部6號煤層遺留煤柱中心的空間位置關系變化條件下，不同錯距下巷道圍巖塑性區(qū)、應力及位移變化情況，以此確定合理的巷道位置，下煤層巷道距遺留煤柱中心線水平距離分別為0 m、12 m與24 m，模擬方案見表2。

表2 模擬方案

3.2 數值結果分析

方案1模擬結果見圖4。位移矢量圖中箭頭代表節(jié)點位移的方向和大?。粦Ψ植紙D中的數值代表等值線上的應力值，MPa。工作面巷道開挖后，受遺留煤柱支撐應力的影響，巷道頂底板及兩幫均出現了明顯的位移變化，位移矢量發(fā)展均指向巷道中心位置，巷道周圍產生了明顯的塑性區(qū)，塑性區(qū)以巷道為中心呈現“X”形擴展，巷道左右?guī)图绊數装逦灰屏糠謩e為110 mm、115 mm、124 mm與26 mm。由于巷道破壞卸荷作用，近巷道垂直應力較小，約為2 MPa，并且由巷道邊壁向深處逐漸增加，最高可達10 MPa；巷道兩幫及頂板所受水平應力較小，約為2 MPa，由巷道邊壁向深處逐漸增加，最高可達7 MPa，說明此時巷道處于煤柱高應力作用影響區(qū)。

圖4 方案1模擬結果

方案2模擬結果見圖5。工作面巷道開挖后，巷道距離上方煤柱中心線水平距離為12 m，依然處在上部遺留煤柱壓力影響范圍內，巷道塑性區(qū)發(fā)展以頂板及右?guī)蜑橹鳎灰剖噶糠植加兴鶞p少，巷道左右?guī)图绊數装逦灰屏糠謩e為40 mm、45 mm、53 mm與17 mm。巷道頂底板垂直應力較小，約為1 MPa，并且由巷道邊壁向深處逐漸增加，最高可達5 MPa，并且以“凸”發(fā)展特征向上部擴展；巷道兩幫所受水平應力較小，分別為1 MPa與2 MPa，底板所受應力較大，約為6 MPa，由巷道邊壁向深處逐漸增加，最高可達6 MPa。說明此時巷道處于煤柱應力作用影響區(qū)范圍內。

圖5 方案2模擬結果

方案3模擬結果見圖6。工作面巷道開挖后，巷道距離上方煤柱中心線水平距離為24 m，巷道塑性區(qū)發(fā)展同樣以頂板及右?guī)蜑橹?，位移矢量分布進一步減少，巷道左右?guī)图绊數装逦灰屏糠謩e為12 mm、15 mm、18 mm與4 mm。巷道頂底板垂直應力較小，約為0.7 MPa，由巷道邊壁向深處逐漸增加，最高可達4.5 MPa，頂板應力“凸”形發(fā)展特征更加明顯；巷道兩幫及頂板所受水平應力較小，約為0.6 MPa，底板所受應力較大，約為5.5 MPa，由巷道邊壁向深處逐漸增加，最高可達6.5 MPa。由巷道變形發(fā)展可以看出，此時巷道處于上部遺留煤柱壓力影響范圍以外，巷道整體圍巖狀況很好。巷道比較穩(wěn)定。

圖6 方案3模擬結果

3種方案巷道表面變形對比情況見圖7?？梢钥闯?，隨著巷道與上部遺留煤柱水平距離的增加，巷道表面變形明顯降低。由于方案1與方案2中，巷道處于上部煤柱支撐壓力影響范圍內，巷道變形整體較大；對于方案3，巷道位于上部煤柱支撐壓力影響范圍以外，巷道變形發(fā)展整體較小，最大位移僅為18 mm。結果表明，隨著下煤層巷道距遺留煤柱中心線水平距離增大，巷道穩(wěn)定性更好。

圖7 各方案巷道變形量

4 結 語

1) 作用在煤柱上的支承壓力表現為“凸”形發(fā)展特征，位于煤柱正下方的底板巖層所受垂直應力最大，隨著煤柱距底板巖層距離的增加，煤柱作用于應力傳播影響范圍也逐漸擴大；由于2503工作面巷道處于上煤層煤柱應力集中作用區(qū)，巷道的穩(wěn)定性必然遭受影響。

2) 通過數值模擬分析，隨著巷道與上部遺留煤柱中心水平距離的增加，巷道表面變形顯著降低，巷道所受垂直應力與水平應力也隨之減小，隨著下煤層巷道距遺留煤柱中心線水平距離增大，巷道穩(wěn)定性更好。

3) 對近距離煤層開采遺留煤柱影響下巷道合理布置方法進行了研究，由于動壓巷道所受應力復雜，后續(xù)將對巷道支護技術進行分析，以進一步提高巷道的穩(wěn)定性。