董合祥

（晉能控股集團(tuán)有限公司，山西 大同 037003）

0 前言

分層開(kāi)采是我國(guó)曾長(zhǎng)期應(yīng)用的一種厚煤層采煤法，隨著大采高和放頂煤開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展，分層開(kāi)采技術(shù)已少用，上分層工作面回采時(shí)若采用留區(qū)段煤柱方法，則下分層回采過(guò)程中存在應(yīng)力集中區(qū)的問(wèn)題[1-6]。對(duì)于區(qū)段煤柱在井田邊界的特殊情況，下分層回采巷道布置于采空區(qū)下方，會(huì)造成一定的煤炭損失，布置于區(qū)段煤柱下方，巷道維護(hù)困難，但可以多回收一定寬度的煤柱[7-10]。本文基于永紅煤礦下分層地質(zhì)和開(kāi)采技術(shù)條件，以巷道布置及支護(hù)設(shè)計(jì)為對(duì)象，研究了在邊界區(qū)段煤柱影響下，底板煤巖層的應(yīng)力和變形破壞規(guī)律，通過(guò)數(shù)值模擬和技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，確定了下分層回采巷道的合理位置和支護(hù)技術(shù)，并進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)巷道生產(chǎn)地質(zhì)條件

1.1 工程概況

永紅煤礦井田位于沁水煤田南部，主采煤層為山西組3號(hào)煤層，平均埋深287.29 m，平均厚5.98 m，傾角3°～6°，屬近水平煤層，地層綜合柱狀見(jiàn)圖1。

圖1 永紅煤礦地層綜合柱狀圖

3號(hào)煤層采用分層開(kāi)采技術(shù)，上下分層采高均為3 m，上分層回采巷道采用雙巷布置與掘進(jìn)技術(shù)，區(qū)段煤柱寬度20 m，上分層已基本開(kāi)采完畢。如圖2所示，以3513下分層工作面回采巷道布置為例，說(shuō)明下分層巷道布置要研究的問(wèn)題。

圖2 永紅煤礦3513下分層回采巷道布置

對(duì)于A類(lèi)區(qū)段煤柱，兩側(cè)均為采空區(qū)，根據(jù)以往開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，回采巷道采用內(nèi)錯(cuò)布置，內(nèi)錯(cuò)距離9 m（圖中巷道a），結(jié)合沿空留巷技術(shù)，可回收煤柱下方的資源，滿(mǎn)足安全生產(chǎn)需要。

對(duì)于B類(lèi)區(qū)段煤柱，一側(cè)為采空區(qū)，另一側(cè)為30 m寬井田邊界煤柱，若將下分層回采巷道布置在采空區(qū)側(cè)（圖中巷道b），則可避開(kāi)煤柱應(yīng)力集中的影響，巷道易于維護(hù)，但損失一定的煤炭資源。若布置在區(qū)段煤柱下方（圖中巷道c），則可多回收一定的煤炭資源，但巷道難于維護(hù)，問(wèn)題的關(guān)鍵在于確定合理的外錯(cuò)距離及支護(hù)技術(shù)。

1.2 巷道圍巖力學(xué)特性測(cè)試

選取3513下分層回采巷道煤層及頂?shù)装鍘r層，制做試驗(yàn)巷道圍巖力學(xué)性能測(cè)試試件。實(shí)驗(yàn)采用MTS巖石力學(xué)剛性伺服機(jī)，測(cè)試內(nèi)容包括單軸抗壓強(qiáng)度、單軸抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度，部分測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)得出煤巖體的單軸抗壓強(qiáng)度＞抗剪強(qiáng)度＞單軸抗拉強(qiáng)度，抗剪強(qiáng)度大約為單軸抗壓強(qiáng)度的20%～40%，單軸抗拉強(qiáng)度大約為單軸抗壓強(qiáng)度的5%～15%。

2 一側(cè)采空煤柱下方底板應(yīng)力分布和變形破壞規(guī)律

2.1 數(shù)值模型

以3513工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，利用FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件，建立數(shù)值分析計(jì)算模型。模型空間上以3號(hào)煤層為中心，包括煤層頂?shù)装逡欢ê穸鹊膸r層，體積為120×100×79（m3），給模型的x、y方向左右邊界面及z方向底邊界面施加固定，模型上端施加6.25 MPa的法向面力，側(cè)壓系數(shù)取1.2。

模型采用摩爾-庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則，依據(jù)3513巷道圍巖力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定本模型的煤巖層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

2.2 應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律

一側(cè)采空煤柱下方底板應(yīng)力場(chǎng)分布如圖3所示，包括垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力和剪應(yīng)力。橫軸上-20～0 m在3513工作面下方，0～20 m在區(qū)段煤柱下方，20～50 m在邊界煤柱下方，縱軸高30 m，上分層底板處為縱軸原點(diǎn)。

圖3 一側(cè)采空煤柱下方底板應(yīng)力場(chǎng)分布

垂直應(yīng)力在煤柱中非對(duì)稱(chēng)性分布，偏采空區(qū)側(cè)，在距煤柱邊緣6～8 m范圍內(nèi)達(dá)到最大值30 MPa，集中系數(shù)3.6。最大水平應(yīng)力位于區(qū)段煤柱邊緣（靠邊界煤柱側(cè)）下方5～8m范圍內(nèi)，集中系數(shù)1.5。最大剪應(yīng)力位于煤柱下方5～10 m范圍，剪應(yīng)力“零”度線(xiàn)在采空區(qū)側(cè)擴(kuò)散角為45°左右。在z=0 m即下分層回采巷道布置水平上，應(yīng)力分布見(jiàn)下圖。

圖4 煤層底板處應(yīng)力分布規(guī)律

在煤層底板水平上，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力偏采空區(qū)側(cè)分布，水平應(yīng)力和剪應(yīng)力偏邊界煤柱側(cè)，最大垂直應(yīng)力集中系數(shù)2.8，最大水平應(yīng)力集中系數(shù)1.4。在上分層回采巷道下方，垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力均出現(xiàn)應(yīng)力釋放現(xiàn)象，垂直應(yīng)力釋放程度大于水平應(yīng)力。

2.3 彈塑性區(qū)分布規(guī)律

彈塑性區(qū)分布見(jiàn)圖5，橫軸-20～0 m在3513工作面范圍，0～20 m在區(qū)段煤柱范圍，20～50 m在邊界煤柱范圍，縱軸高30 m，上分層底板處為縱軸原點(diǎn)。

圖5 一側(cè)采空煤柱下方彈塑性區(qū)分布

塑性區(qū)已貫通區(qū)段煤柱，以剪切破壞為主，煤柱中部塑性區(qū)高度達(dá)到4 m，偏采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)分布范圍要大于偏邊界煤柱側(cè)。3513面采空區(qū)下方塑性區(qū)深度達(dá)到15 m，上分層回采巷道周?chē)苄詤^(qū)為環(huán)形分布，巷道偏區(qū)段煤柱一側(cè)塑性區(qū)寬度大。

2.4 位移場(chǎng)分布規(guī)律

一側(cè)采空煤柱下方底板位移場(chǎng)分布如圖6所示，包括總位移、水平位移和垂直位移。

圖6 一側(cè)采空煤柱下方底板位移場(chǎng)分布

在3513上分層采空區(qū)周?chē)偽灰屏孔畲螅_(dá)到200 mm，區(qū)段煤柱內(nèi)總位移量在50～100 mm之間，邊界煤柱內(nèi)總位移量基本小于30 mm。垂直方向上，煤柱下方煤巖層有向底板運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，采空區(qū)下方煤巖層有向頂板運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，“零”位移等值線(xiàn)基本沿采空區(qū)邊緣豎直向下。水平方向上，煤巖體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)不明顯，煤層底板處位移場(chǎng)分布情況見(jiàn)圖7。

圖7 煤層底板處位移場(chǎng)分布規(guī)律

垂直位移在煤柱下方為負(fù)值，即有向底板運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，最大位移量55 mm，在采空區(qū)下方為正值，即有向頂板運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。水平位移量較垂直位移量較小，導(dǎo)致總位移量基本等于垂直位移量。

3 下分層工作面回采巷道合理位置的確定

一側(cè)采空煤柱下方回采巷道若采用內(nèi)錯(cuò)式布置，巷道處于采空區(qū)下方，巷道易于維護(hù)，同時(shí)造成一定的煤炭損失；若采用外錯(cuò)式布置，巷道處于煤柱下方，巷道難于維護(hù)，但可多回收一定寬度的煤柱，有必要對(duì)外錯(cuò)式布置做詳細(xì)技術(shù)分析。

3.1 回采巷道支護(hù)方案

依據(jù)工作面的開(kāi)采地質(zhì)條件，提出采用錨網(wǎng)索+架棚聯(lián)合支護(hù)形式，見(jiàn)圖8。

圖8 下分層巷道支護(hù)方案模擬

頂板：錨網(wǎng)索+工字鋼棚護(hù)頂。錨桿規(guī)格：φ22 mm×22 00 mm，間排距：800 mm×800 mm，配合W型鋼帶。錨索規(guī)格：φ21.8 mm×12 000 mm，間排距為1 200 mm×1 600 mm，托板為300 mm×300 mm×16 mm。礦用11號(hào)工字鋼架棚支護(hù)，中部加中柱，每2排錨桿加固1排工字鋼棚，菱形金屬網(wǎng)規(guī)格：50 mm×50 mm。

兩幫：錨桿+鋼筋梯子梁護(hù)幫。錨桿規(guī)格：φ22 mm×2 200 mm，間排距：800 mm×800 mm，每排3根，托板規(guī)格150 mm×150 mm×10 mm，菱形金屬網(wǎng)規(guī)格：50 mm×50 mm。

3.2 圍巖變形特征與巷道位置的關(guān)系

巷道位置布置是否合理直觀反映在巷道圍巖變形程度上，圍巖變形程度的大小也是選擇巷道位置的最重要依據(jù)，巷道圍巖變形包括垂直位移和水平位移，一側(cè)采空煤柱下方回采巷道圍巖變形特征與巷道位置關(guān)系如圖9所示，x為回采巷道外錯(cuò)距離。

頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平烤淑娦畏植?，趨?shì)基本一致，在x=6～8 m范圍內(nèi)，達(dá)到最大值，x=10～13 m范圍內(nèi)，達(dá)到最小值并趨于緩和，巷道圍巖變形控制在400 mm左右，基本滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。上分層和下分層回采巷道錨桿支護(hù)系統(tǒng)中，錨桿長(zhǎng)度為2.2 m。若巷道右?guī)兔褐^(guò)窄，巷道開(kāi)挖后使錨桿錨固在破碎圍巖中，錨固力下降，錨桿的支護(hù)作用降低，并且存在由于煤柱的破裂變形造成漏風(fēng)的危險(xiǎn)。這就要求巷道右?guī)兔褐膶挾却笥趦身槻坼^桿錨固合計(jì)范圍（4.4 m），綜合考慮決定選擇x=11 m作為下分層巷道的合理位置。

圖9 巷道圍巖變形特征與巷道位置關(guān)系

4 井下工業(yè)性試驗(yàn)

掘進(jìn)和回采期間對(duì)巷道圍巖進(jìn)行了觀測(cè)，共布置8個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，間距100 m，見(jiàn)表3。掘進(jìn)期間頂?shù)装搴蛢蓭妥畲笪灰屏炕究刂圃?50～400 mm，一般掘出10 d后進(jìn)入穩(wěn)定階段，之后圍巖變形速度明顯下降，趨于穩(wěn)定?；夭善陂g，超前工作面20 m范圍內(nèi)巷道圍巖變形有增大趨勢(shì)，但不明顯，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。

表3 掘進(jìn)和回采期間圍巖變形/mm

5 結(jié)語(yǔ)

1）模擬了一側(cè)采空煤柱下方底板應(yīng)力和變形破壞規(guī)律。應(yīng)力分布在煤柱中有明顯的非對(duì)稱(chēng)性，垂直應(yīng)力集中偏采空區(qū)側(cè)，在距采空區(qū)邊緣6～8 m范圍內(nèi)達(dá)到最大值，最大應(yīng)力集中系數(shù)3.6。煤柱中塑性區(qū)已貫通，高度達(dá)到4 m，以剪切破壞為主。煤柱內(nèi)煤巖體有向底板運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，垂直位移量50～100 mm，水平運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)不明顯。

2）對(duì)于一側(cè)采空煤柱下方回采巷道，提出了錨網(wǎng)索+架棚聯(lián)合支護(hù)的護(hù)方案，模擬了圍巖變形特征與巷道位置的關(guān)系，頂?shù)装搴蛢蓭鸵平烤淑娦畏植?，趨?shì)基本一致，外錯(cuò)距離在6～8 m范圍內(nèi)，圍巖變形量達(dá)到最大值，在10～13 m范圍內(nèi)達(dá)到最小值并趨于緩和?？紤]到巷道兩側(cè)煤柱的寬度大于錨桿錨固范圍（4.4 m），最終確定外錯(cuò)距離11 m。

3）在3513下分層回風(fēng)巷進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，在掘進(jìn)和回采期間對(duì)巷道表面位移進(jìn)行了觀測(cè)，位移量控制在500 mm以?xún)?nèi)，也驗(yàn)證了巷道位置選擇及支護(hù)參數(shù)的合理性。