近距离煤层回采巷道布置方式的数值模拟研究

马甲年，安里千，蔡光顺，石 鹏，王明光

（1.中国矿业大学（北京），北京 100083；2.山西焦煤集团中兴煤业公司，山西 交城 030500）

近距离煤层回采巷道布置方式的数值模拟研究

马甲年1，安里千1，蔡光顺2，石 鹏1，王明光1

（1.中国矿业大学（北京），北京 100083；2.山西焦煤集团中兴煤业公司，山西 交城 030500）

中兴矿2200下工作面是该矿极近距离煤层组布置在下层煤中的首采工作面，本文对2200下工作面尾巷提出了三种布置方案，并采用FLAC3D软件对这三种方案模拟，再现了在2号煤层采空的条下，2200下工作面回采对尾巷的影响过程，分析了尾巷周围煤、岩体应力场、位移场的时空演化特征，研究了煤柱的破坏机理，确定了合理的布置方案。

近距离煤层；数值模拟；巷道布置；煤柱

中兴煤矿2号煤层与4（4+5）号煤层间距仅3 m左右，层间岩性为泥岩、砂质泥岩。其中二采区2号煤已采完，即将开采4（4+5）号煤层。2号煤厚0.78～2.26 m，平均 1.17 m，煤层结构简单，不含夹矸，为全井田稳定可采煤层。4（4+5）号煤层，煤厚1.8～2.2 m，平均厚 2.0 m，含夹矸 1～2层，结构简单，井田大部分稳定开采，属中灰低硫的优质焦煤。2200下工作面是4（4+5）号煤层首采面，设计为一次采全高工作面，走向长度1 020 m，倾斜长度145 m；其上部为2200工作面，已于2003年回采完。

1 问题的提出

在近距离煤层开采过程中，下层煤回采巷道周围的煤、岩体，在巷道开挖前已经受到上部煤层开采过程的影响，引起煤柱周围煤、岩体的应力重新分布，受载条件复杂[1]；受上煤层开采动压的影响，下煤层回采巷道两帮煤体与顶板之间层面上的粘结系数及内摩擦角要比受影响前小，整体力学力能变差[1]。下层煤回采巷道顶板受到破坏，整体性差，具有明显的非连续性介质碎裂体或块裂体的性质，不易形成稳定结构[2]。

目前，2200下工作面运输巷已经掘完，其布置方式相对于2200工作面运输巷内错3.4m，巷道掘进过程的矿压观测结果表明：顶板下沉、底鼓现象严重，起底厚度达200mm，部分地方出现二次底鼓现象，累计底鼓厚度达800mm，大量棚梁被压弯，矿压显现十分强烈，严重影响着巷道的正常掘进，威胁矿井的安全、高效生产。

因此，有必要研究在2号煤层已经采空的条件下，对4（4+5）号煤层回采时巷道围岩的应力分布规律和破坏机理进行研究，优化材料巷和尾行之间的煤柱尺寸，探求4（4+5）号煤层回采巷道的合理布置方式。这样既可以节约支护成本又可以提高煤炭资源回收率。

2 尾巷布置方案

针对中兴矿的实际情况，在总结现场调研资料的基础上，对2200下工作面材料巷和尾巷提出了以下三种布置方案。

方案1：2200下工作面材料巷和尾巷煤柱留设23m，即尾巷布置在2200工作面尾巷外错3.4m的位置。见图1-a。

方案2：2200下工作面材料巷和尾巷煤柱留设30m，即尾巷布置在2200工作面和1202工作面顺槽煤柱的中间位置，见图1-b。

方案3：2200下工作面材料巷和尾巷煤柱留设48m，即尾巷布置在1202工作面顺槽内错3.4m的位置，如图1-c。

3 模型的建立

以中兴矿煤岩地层的实际赋存状况为依据，建立FLAC3D平面应变数值模型（见图2），计算模型的煤、岩物理力学参数[3，4]见表1，模型长×宽×高为290m×2m×92m，考虑到边界效应的影响，模型上下各取30m的边界，左右取40m的边界。模型上部为应力边界，即模型的上覆岩层重力以均匀分布的外荷载代替，施加17MPa的垂直方向原岩应力，水平方向的原岩应力6MPa[3，4]，重力加速度为9.81 m/s2，其余边界均为位移固定边界。采用摩尔－库仑本构模型，大变形模式。

图1 尾巷方案对比图

图2 FLAC3D平面应变数值

表1 围岩力学指标

4 模拟结果分析

4.1 煤柱应力场演化特征

受2200下工作面回采动压的影响，煤柱应力的重新分布，不同的尾巷布置方式，其两侧所形成的集中应力大小和位置不同。以距2200下工作面距离为横坐标，尾巷煤柱垂直应力集中系数为纵坐标，得到不同尾巷布置方案时，煤柱垂直应力分布曲线，见图3。方案1的垂直应力集中系数为1.30，方案2的垂直应力集中系数为1.40，方案3的垂直应力集中系数为1.24，距离煤壁距离均为3m左右。

图3 不同方案煤柱垂直应力分布曲线

分析认为：方案2的煤柱应力集中系数之所以最大，其主要原因是尾巷上方为实体煤柱，承受上覆岩层的重量，方案1和3的尾巷处在卸压区内。

煤体开采后，必将引起围岩之间产生错动趋势，形成剪应力，当剪应力大小超过围岩剪切强度时，岩体将发生剪切破坏，在剪切面上发生错动[1]。不同尾巷布置时，煤柱剪应力分布曲线，见图4。方案1中煤柱剪应力集中系数为3.0，方案2中剪应力集中系数为2.4；方案3中剪应力集中系数为2.7。

图4 不同方案剪应力分布曲线

方案1和方案3中尾巷围岩剪应力之所以较大，分析其主要原因是尾巷布置在2200工作面顺槽开掘所形成的剪应力集中区域中，产生了剪应力叠加。

4.2 围岩位移场分布

2200下工作面尾巷开掘后，受高集中应力的作用，顶板下沉量逐渐增加，见图5。在开掘初期，方案2和3中尾巷顶板下沉速度较快，而方案1的顶板下沉速度相对较小，当顶板下沉量达到一定值后，三种方案的顶板下沉量都相对稳定。在2200下工作面回采动压的影响下，方案2中的顶板下沉量仍然保持稳定，方案1和3的顶板下沉速度急剧增加。方案1，2的顶板位移量要比方案3小。

图5 不同布置案尾巷顶板下沉量曲线

前面的应力场分析结果表明，方案2的剪应力较小，而方案1和3的剪应力较大，而方案1和3的顶板下沉量也最大，由此可以得出，尾巷围岩的变形主要以剪切位移为主，在设计支护方案时应加强控制剪切变形。

4.3 煤柱破坏特征

巷道开掘后，必然引起围岩发生拉伸或剪切破坏，产生松动圈[5]。不同的尾巷布置方式，将产生不同的围岩破坏特征。从图6不同方案煤柱破坏特征可知，方案2尾行围岩破坏范围约2～3m；方案1和3中，尾巷围岩破坏范围呈现出不对称性，局部破坏范围可达6～9m。

分析其主要原因是，经过多次开挖影响，尾巷煤柱破坏深度逐渐增加，且方案1和3中，尾巷的顶板是2号煤层的采空区破碎矸石胶结后形成的再生顶板，其强度和稳定性较一般的岩体相差很多；尾巷开挖后，其松动圈与再生顶板沟通，使顶板局部破坏范围由原来的2～3m增加至6～9m。这种情况必然导致顶板下沉速度加快，支护困难，如果不能及时进行矿压观测，实时对矿压显现强烈的地方加强支护，很容易发生冒顶事故。

图6 不同布置方案煤柱破坏特征

5 结语

从应力场分布来看，方案1、3垂直应力较小，剪应力大，方案2的垂直方应力较大，但剪应力最小；从位移分布来看，尾巷的变形主要是由于剪切破坏而产生，方案2的剪切变形最小，且各方案顶板下沉速度呈阶段式不同；从煤柱破坏特征来看，方案2的尾巷受2号煤层采空区再生顶板的影响最小；从经济上分析，方案2比方案3的煤柱尺寸减少18m，可多回收煤炭资源约4.725万t，可多增加效益约1512万元。综合技术经济分析认为，方案2为最合理的尾巷布置方式。

中兴矿现已采用方案2布置尾巷，采掘工程已在进行中，建议应注意顶板的矿压观测，特别是遇到地质构造带时，应根据矿压显现情况，实时加强支护。

〔1〕钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制〔M〕.徐州：中国矿业大学出版社，2003.

〔2〕张百胜，杨双锁，康立勋，等.极近距离煤层回采巷道合理位置确定方法探讨〔J〕.岩石力学与工程学报，2008，27（1）：97-101.

〔3〕蔡光顺.中兴矿岩性测试结果在围岩分类中的应用〔J〕.煤矿开采，2006，11（6）：67-68.

〔4〕蔡光顺.中兴矿区地质力学测试及其结果分析〔J〕.煤矿开采，2007，12（6）：22-23.

〔5〕董方庭，等.巷道围岩松动圈支护理论及应用技术〔M〕.北京：煤炭工业出版社，2001.

Abstract:2200down-working face of Zhongxing mine is the first mining face in the lower layer of the ultra-close distance coal seams.The study proposed three layout schemes for the tail roadway and did the simulation with FLAC3Dsoftware respectively.The study regenerated the condition of No.2 mining-out seam and the influence process of 2200down-working face caving upon the tail roadway.The paper also analyzed temporal and spatial evolution characteristics of coal around tail roadway,stress field in rock mass,and displacement field.We also studied failure mechanism of coal pillar and determined the reasonable layout schemes.

Keywords:close distance seam;numerical simulation;roadway layout;coal pillar

编辑：徐树文

Numerical Simulation Analysis on Roadway Layout in Close Distance Seams

MA Jia-nian1,AN Li-qian1,CAI Guang-shun2,SHI Peng1,WANG Ming-guang1
（1.China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China;2.Zhongxing Coal Co.,Shanxi coking coal group,Jiaocheng Shanxi 030500,China）

TD263

A

1672-5050（2010）04-0040-03

2009-12-18

国家十一五计划“煤矿瓦斯、火灾与顶板重大灾害防治关键技术研究”（2006BAK03B06）项目资助。

马甲年（1984—），男，山西侯马人，硕士研究生，主要从事岩土力学与采矿工程方面的研究。