呂情緒

(神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司 技術(shù)研究院， 陜西 神木 719315)

0 引言

隨著煤炭資源逐步開(kāi)采，越來(lái)越多的煤礦面臨近距離煤層開(kāi)采問(wèn)題。開(kāi)采上煤層時(shí)，下煤層巷道受上煤層影響較大，巷道圍巖受到破壞，嚴(yán)重制約了礦井的高產(chǎn)高效[1-4]。

徐敬民等[5]研究了淺埋煤層動(dòng)載礦壓?jiǎn)栴}，揭示了動(dòng)載礦壓發(fā)生機(jī)理，并提出了有針對(duì)性的防治措施。鞠金峰等[6-7]針對(duì)淺埋近距離煤層工作面頻繁出現(xiàn)的壓架災(zāi)害進(jìn)行研究,提出了以促使關(guān)鍵塊體提前回轉(zhuǎn)、阻止和破壞其回轉(zhuǎn)為思路的壓架災(zāi)害防治措施。許家林等[8]就淺埋近距離煤層重復(fù)采動(dòng)關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)與動(dòng)載礦壓機(jī)理進(jìn)行了深入研究，提出了近距離煤層重復(fù)采動(dòng)關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)控制與防范措施。謝小平等[9]、楊國(guó)樞等[10]研究了近距離煤層二次采動(dòng)對(duì)巷道圍巖變形的影響。段曉博等[11]分析了近距離煤層同采工作面底板破壞深度特征。郭敏[12]研究了近距離煤層群上下煤層工作面同采時(shí)的合理錯(cuò)距。上述文獻(xiàn)針對(duì)淺埋近距離煤層開(kāi)采工作面強(qiáng)礦壓機(jī)理、下煤層巷道圍巖控制、底板破壞深度、同采工作面合理錯(cuò)距等方面展開(kāi)研究，但目前涉及近距離煤層開(kāi)采煤柱下雙巷布置合理性的研究很少。

本文以神東礦區(qū)某煤礦為工程背景，針對(duì)近距離煤層工作面協(xié)調(diào)開(kāi)采時(shí)下煤層巷道布置問(wèn)題，通過(guò)數(shù)值模擬、物理模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方式，分析了雙巷布置形式下巷道圍巖變形情況，研究了該布置形式的可行性。

1 試驗(yàn)工作面基本情況

神東礦區(qū)某煤礦三盤(pán)區(qū)1-2上煤層和1-2煤層間距為0.8～12 m，屬于近距離煤層開(kāi)采條件。1-2上煤層平均厚度為3.0 m，1-2煤層平均厚度為3.18 m，埋深為106 m，上覆基巖厚度為90 m，風(fēng)積沙厚度為10 m。因礦井采掘接續(xù)緊張，三盤(pán)區(qū)下煤層工作面按照一定的滯后距與上煤層工作面同步開(kāi)采，已安全采出多個(gè)工作面?？紤]到三盤(pán)區(qū)邊界煤層群間距逐漸變小，最小值僅為0.8 m，將下煤層巷道布置在上煤層采空區(qū)下時(shí)，若采用傳統(tǒng)的架棚支護(hù)方式勢(shì)必嚴(yán)重影響礦井高效生產(chǎn)；如果采用單巷掘進(jìn)，由于工作面走向長(zhǎng)度達(dá)4 500 m，則巷道采掘通風(fēng)難度較大。經(jīng)綜合考慮，確定采用神東礦區(qū)成熟的雙巷掘進(jìn)模式，在上煤層留設(shè)寬度為35 m的區(qū)段煤柱，在煤柱下各外錯(cuò)4 m布置下煤層雙巷，如圖1所示。

圖1 下煤層雙巷布置Fig.1 Double-roadway layout in hypogynous coal seam

12314回風(fēng)巷(巷道3)寬度為5.6 m，12315運(yùn)輸巷(巷道4)寬度為5.5 m，均采用錨桿、錨索及金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。其中錨桿間排距為1.1 m×1.2 m，每排打6根φ16 mm×2 100 mm錨桿；錨索間排距為2.8 m×3.0 m，每排打2根φ15.24 mm×6 500 mm 錨索。由于三盤(pán)區(qū)上下煤層工作面同步開(kāi)采，導(dǎo)致巷道4先后經(jīng)歷上煤層2個(gè)工作面、下煤層鄰近工作面及本工作面4次采動(dòng)影響，需要提前開(kāi)展該類(lèi)條件下巷道布置的可行性研究。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值模型及模擬方案

根據(jù)該礦地質(zhì)條件，確定FLAC3D數(shù)值模型尺寸為500 m×500 m×106 m(長(zhǎng)×寬×高)。模型中上下煤層采高均為3 m，煤層間距為2 m，上煤層留設(shè)區(qū)段煤柱寬度為35 m；下煤層巷道3、巷道4與上煤層區(qū)段煤柱邊界的外錯(cuò)水平距離為4 m。采用摩爾-庫(kù)倫彈塑性屈服準(zhǔn)則本構(gòu)關(guān)系，模型中各巖層力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖層力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of rock strata

制定2種模擬方案。方案1根據(jù)該礦下煤層巷道實(shí)際布置情況，在100 m埋深條件下分析下煤層巷道受多次采動(dòng)影響后的變形特征，考察雙巷布置的可行性。方案2在方案1基礎(chǔ)上，在模型頂部分別給定2.5，5.0 MPa均布載荷(對(duì)應(yīng)模擬200，300 m 埋深條件)。在下煤層巷道4中部布置巷道變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，同時(shí)在上下煤層的煤柱中各布置1條垂直應(yīng)力監(jiān)測(cè)線(xiàn)。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

2.2.1 100 m埋深條件下下煤層巷道變形特征

近距離煤層開(kāi)采時(shí)通常待上煤層開(kāi)采完畢且運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定后再依次開(kāi)采下煤層。為掌握下煤層巷道4分別受上煤層工作面1、工作面2及下煤層鄰近工作面3的采動(dòng)影響程度，數(shù)值模擬分析100 m埋深條件下巷道4受上下煤層工作面3次采動(dòng)影響后的變形情況，結(jié)果如圖2所示(定義監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于工作面前方時(shí)距離為負(fù)值)?？煽闯鱿旅簩庸ぷ髅?開(kāi)采對(duì)巷道4的影響最大，上煤層2個(gè)工作面開(kāi)采對(duì)巷道4影響不大，最終巷道4受上下煤層3次采動(dòng)影響后頂?shù)装謇塾?jì)移近量為180 mm，兩幫累計(jì)移近量為118 mm，巷道總體保持良好，滿(mǎn)足本煤層工作面4安全開(kāi)采要求。

(a) 頂?shù)装?/p>

2.2.2 不同埋深條件下下煤層巷道變形特征

考慮到該礦上下煤層工作面按照500 m左右錯(cuò)距同步開(kāi)采的實(shí)際情況，模擬先開(kāi)采工作面1和工作面3、再開(kāi)采工作面2和工作面4的情況。不同埋深條件下巷道4受4次采動(dòng)影響后的變形情況如圖3所示?？煽闯鱿锏?受工作面1和工作面3采動(dòng)影響的變形量較小，當(dāng)工作面1和工作面3采完后，巷道4在100，200，300 m埋深條件下對(duì)應(yīng)的頂?shù)装謇塾?jì)移近量分別為48，69，104 mm。但當(dāng)工作面2和工作面4同步開(kāi)采時(shí)，巷道4在200，300 m埋深條件下的頂?shù)装謇塾?jì)移近量達(dá)2.5 m以上，嚴(yán)重影響了工作面4安全開(kāi)采?？梢?jiàn)埋深較大時(shí)，在35 m區(qū)段煤柱下已經(jīng)不適合進(jìn)行雙巷布置。

圖3 不同埋深條件下巷道4受采動(dòng)影響變形情況Fig.3 Displacement of No.4 roadway influenced by mining under different cover depths

下煤層區(qū)段煤柱所受支承應(yīng)力分布及雙巷圍巖塑性區(qū)破壞情況如圖4、圖5所示。從圖4可看出，隨著埋深增大，下煤層區(qū)段煤柱所受支承應(yīng)力峰值不斷增大，支承應(yīng)力曲線(xiàn)由馬鞍形轉(zhuǎn)變?yōu)轳劮逍危?00，200，300 m埋深對(duì)應(yīng)的應(yīng)力峰值分別為9.2，20.1，24.5 MPa。從圖5可看出，在100 m埋深條件下，巷道圍巖塑性區(qū)破壞范圍僅為0.5 m，當(dāng)埋深達(dá)到300 m時(shí)，下煤層雙巷之間的煤柱塑性區(qū)已完全貫通，表明煤柱存在失穩(wěn)現(xiàn)象，此時(shí)極不利于巷道維護(hù)和使用。上述研究表明該礦三盤(pán)區(qū)特定埋深條件下在煤柱下布置雙巷是可行的。

圖4 下煤層煤柱支承應(yīng)力分布曲線(xiàn)Fig.4 Abutment stress distribution curves of coal pillar in hypogynous coal seam

3 物理模擬分析

對(duì)照該礦地質(zhì)條件建立物理模型，尺寸為2.5 m×0.25 m×1.3 m(長(zhǎng)×寬×高)，煤層間距為2 m。模型幾何相似比為1∶100，下煤層巷道寬度為5.5 m。在巷道周邊及上煤層頂界面布置位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。模擬上煤層工作面1、工作面2和下煤層工作面3開(kāi)采對(duì)巷道4的變形影響，結(jié)果如圖6所示。

(a) 工作面1開(kāi)采

物理模擬結(jié)果表明，上煤層工作面1和工作面2開(kāi)采對(duì)下煤層雙巷變形影響較小，僅為50～80 mm,且巷道4在下煤層工作面3開(kāi)采后仍保持完好，滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)要求。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

對(duì)該礦區(qū)段煤柱下雙巷變形情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，在距下煤層工作面4切眼(12315切眼)132 m處每隔10 m布置1個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，共布置4個(gè)，如圖7所示。實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)， 工作面4開(kāi)采至距1號(hào)觀測(cè)點(diǎn)80 m時(shí)，巷道開(kāi)始出現(xiàn)移動(dòng)變形；開(kāi)采至40 m時(shí)變形速度加快，但累計(jì)變形量不大，實(shí)測(cè)巷道4頂?shù)装謇塾?jì)移近量為32 mm，兩幫累計(jì)移近量為24 mm，巷道斷面尺寸總體穩(wěn)定，滿(mǎn)足工作面安全高效生產(chǎn)需要。

圖7 巷道變形觀測(cè)點(diǎn)布置Fig.7 Layout of roadway displacement measuring points

5 結(jié)語(yǔ)

為了實(shí)現(xiàn)神東礦區(qū)某煤礦淺埋近距離煤層工作面同步高效開(kāi)采，在上煤層留設(shè)35 m寬煤柱下布置下煤層雙巷，采用錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)代替特近距離開(kāi)采時(shí)傳統(tǒng)的架棚支護(hù)方式。數(shù)值模擬和物理模擬結(jié)果表明，在該礦三盤(pán)區(qū)特定地質(zhì)條件下，下煤層巷道4雖受多次采動(dòng)影響，但巷道變形量總體控制在200 mm以?xún)?nèi);實(shí)測(cè)結(jié)果表明頂?shù)装謇塾?jì)移近量為32 mm，兩幫累計(jì)移近量為24 mm，巷道總體穩(wěn)定，滿(mǎn)足綜采工作面安全生產(chǎn)需要。