采空区下近距离下煤层回采巷道位置的确定

李小利

(山西中新小梁沟煤业有限责任公司,山西 大同 037002)

我国许多煤矿煤层开采都处在近距离煤层群环境中，随着煤炭开采水平的提高，对这些复杂条件下的近距离煤层群进行回采已成为必然[1]。如何选择近距离煤层回采巷道布置位置，确保巷道在回采期间的稳定性，是近年来近距离煤层开采技术中比较突出的难题[2]。巷道围岩稳定性受到多方面因素的影响，煤层开采引起回采空间围岩应力重新分布，导致回采巷道周围的煤柱上出现应力集中现象。煤柱上的集中应力将向底板深部岩层传递，同时，底部煤层中的回采巷道还要受到本煤层邻近工作面的采动影响[3]。因此，分析近距离煤层群条件下回采巷道的稳定性，应综合考虑近距离煤层群的空间环境。

本文以处在近距离煤层群复杂应力分布条件下的李家庄矿5号煤回采巷道的位置选择为背景，通过数值模拟试验，对采空区近距离下煤层回采巷道距离遗留煤柱边缘0 m(煤柱正下方)、8 m、18 m、25 m时，巷道的围岩变形量、垂直应力分布及水平应力分布等进行分析，确定了合理的巷道位置。

1 工程条件分析

1.1 工程地质概况

李家庄矿井田构造形态基本为一宽缓的不对称向斜构造。地层产状平缓，倾角2°～6°。井田南部边缘发育1条大型的正断层，东北附近发育3个陷落柱。区内构造以褶皱为主，构造形态较简单，多为平缓开阔的短轴褶皱，次有岩溶坍塌形成的柱状陷落，局部见有小型断裂构造。井田内未发现岩浆岩侵入现象。

1.2 工程概况

李家庄矿位于山西省高平市境内，井田面积65.25 km2，主采5号、6号、7号煤。其中5号煤厚度1.2～4.5 m，平均厚度为4 m，埋深200～500 m，平均埋深为300 m，煤层倾角1°～5°，平均3°。老顶为中、细粒砂岩，厚度为3.5～19.5 m，平均10.9 m；直接顶为石灰岩，厚度为0.5～5.6 m，平均2.5 m；直接底为砂质泥岩，厚度为1.5～6.8 m，平均4.3 m。5号煤层上方为6号煤，目前已经采空，5号煤与6号煤采空区层间距18～30 m，平均24 m。

2 数值模拟模型建立

本文运用UDEC数值模拟对采空区下近距离煤层下煤层的巷道围岩稳定性进行分析研究。在岩层移动数值模拟中，限于数值模拟软件可运行单元数的限制，通常将未模拟岩层简化为均布载荷加载在数值模拟的边界，根据煤岩层综合柱状，确定计算模型采用摩尔—库仑模型。模型位移边界条件：模型的左右及下部边界为位移边界，左右边界限制x方向的位移；下部边界限制y方向的位移。在本文中，对于煤体，要求单元最大边长不大于1 m，其他各岩层单元按与煤层的远近适当划分，模拟所采用力学模型见图1，数值模拟煤岩层的物理力学参数见表2。

图1 数值模拟力学模型示意图

表1岩层的物理力学参数表

岩层体积模量K/GPa剪切模量G/GPa密度d/N·m-3摩擦角f/(°)黏结力C/MPa抗拉强度t/MPa上覆岩层15112 5002522老顶15112 5002521.5直接顶862 300221.51.5煤层541 3001711直接底1272 5002522老底1272 5003022下覆岩层1272 5003022

3 模拟结果分析

本文对上下两煤层垂直距离24 m，上部煤层采空区遗留煤柱宽度为30 m，底板巷道分别位于上部煤层采空区遗留煤柱边缘的水平距离为0 m(煤柱正下方)、8 m、18 m、25 m时，巷道围岩移近量、垂直应力分布及水平应力分布等进行分析，从而确定合理的巷道位置。

巷道开挖稳定后，围岩随巷道距离煤柱边缘不同距离的变形量见表2和图2。由表2可以看出，巷道开挖后，随着巷道与上方煤柱相对水平距离的逐渐增加，巷道围岩移迁量在逐渐缩小，且下降幅度较大，当巷道距离煤柱边缘25 m时，巷道左帮移近量、右帮移近量、顶板下沉量、底鼓量分别为12 mm、15 mm、15 mm、4 mm，变形量已控制在较小的范围之内，完全能够保证巷道处于安全稳定状态。

表2 巷道围岩变形量表

距煤柱边缘距离/m

巷道开挖稳定后，距离煤柱边缘0 m、8 m、18 m、25 m时的垂直应力分布图见图3。由图3可知，由于巷道开挖，巷道围岩向巷道内挤，在顶底板中部形成应力降低拱区，使得巷道顶底板的应力得到释放。随着巷道与煤柱距离的逐渐增加，巷道顶底板垂直应力逐渐减小，当巷道距离煤柱边缘25 m时，巷道周围最大垂直应力仅为煤柱正下方的一半。巷道两帮的垂直应力随着与煤柱边缘距离的增大，变化不大，由此可知上部煤层遗留煤柱引起的支承压力主要对巷道顶底板影响较大，因此，在巷道维护过程中，要加强对巷道顶板的管理。

巷道开挖稳定后，与煤柱边缘0 m、8 m、18 m、25 m距离时的水平应力分布图见图4。从图4可以看出，巷道两帮附近出现的水平应力降低区呈蝶状对称分布，在巷道顶底板及两帮中部形成了水平应力增高区，随着距煤柱边缘距离的增大，此应力增高区在逐渐减弱，巷道周围水平应力也减小，巷道整体围岩状况良好，巷道比较稳定。

4 结 语

本文以李家庄矿近距离煤层下煤层5号煤回采巷道的位置选择为背景，通过数值模拟试验，对采空区近距离下煤层回采巷道距离遗留煤柱边缘0 m(煤柱正下方)、8 m、18 m、25 m时，巷道的围岩变形量、垂直应力分布及水平应力分布等进行分析。结果表明：随着与煤柱边缘距离的增加，巷道围岩移近量在逐渐减小，且下降幅度较大，当距离达到25 m时，围岩移近量已控制在较小的范围之内，能够保证巷道处于安全稳定状态；随着与煤柱边缘距离的增加，巷道顶底板垂直应力逐渐减小，在巷道顶底板处表现明显，当巷道距离煤柱边缘25 m时，巷道周围最大垂直应力仅为煤柱正下方的一半。随着与煤柱边缘距离的增加，巷道周围水平应力也减小，巷道整体围岩状况良好，巷道比较稳定。

参 考 文 献

[1]康官先,孔宪法,康天合,等.采空区下极近距离煤层回采巷道合理位置的研究[J].煤矿安全，2013(5): 210-213.

[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(01):97-101.

[3]朱润生.极近距离煤层回采巷道合理位置确定与支护技术[J].煤炭科学技术,2012(4): 10-13.