近距离煤层回采巷道布置方式数值模拟研究

冯琦勇

(西山煤电股份有限公司 西曲矿，山西　古交　030200)



近距离煤层回采巷道布置方式数值模拟研究

冯琦勇

(西山煤电股份有限公司 西曲矿，山西古交030200)

以西曲矿8#煤和9#煤近距离煤层地质条件为工程背景，综合采用现场实测与数值模拟相结合的研究方法，对布置于北二盘区下部9#煤中的29205综采工作面回采巷道合理布置方式进行了研究。通过分析不同布置方案条件下29205综采工作面正巷所受垂直应力大小以及围岩塑性破坏范围，得出了该矿8#煤和9#煤近距离煤层地质条件下回采巷道的合理布置方式，数值模拟结果对于该矿8#煤和9#煤近距离煤层开采具有指导作用。

近距离煤层；回采巷道；数值模拟；塑性破坏

近距离煤层，即井田开采范围内相邻煤层之间的层间距比较近，在相邻煤层开采时具有相当大程度的影响。布置于下部煤层工作面的顶板岩层完整性将会受到布置于上部煤层工作面开采的影响，并且上部煤层留设的区段煤柱还会在下部煤层顶板岩层中形成集中应力区域，而造成下部煤层工作面回采巷道支护困难等一系列工程技术难题[1-3].

西山煤电股份公司西曲矿北二采区29205工作面目前属于典型的近距离煤层群开采的范畴。对于近距下部煤层来说，其巷道布置形式决定着工作面在整个回采期间巷道支护的难易程度。因此，分析研究近距离煤层群开采29205正巷不同巷道布置方式，煤柱以及围岩应力的分布状态和规律，对于合理选择8#煤层和9#煤层煤柱的尺寸，进行有效的巷道支护技术具有重要的指导意义。

1　工程概况

1.1工作面概况

29205综采工作面位于西曲矿北二盘区的中部，南部是已经回采结束的29204综采工作面，东北部为小窑破坏区，北部为29205综采工作面，西部与北983运输大巷相邻。29205综采工作面地面位于崖窑上进风井东部，狼窝沟北部，地面大部分被黄土覆盖，盖山厚度165～224 m. 正巷全长960 m，巷道断面呈矩形，巷宽4.0 m，巷高2.4 m. 29205综采工作面布置示意图见图1.

图1　29205综采工作面布置示意图

1.2上部相邻8#煤层采掘概况

西曲矿北二采区赋存的8#煤层和9#煤层之间的层间距离为7～11 m，平均7.4 m. 上部8#煤层平均厚度4.05 m，下部9#煤层平均厚度2.2 m. 29205综采工作面主采9#煤层，位于上部8#煤28205综采工作面的正下方， 28204和28205两个综采工作面之间留设25 m的保护煤柱。上部8#煤已经全部采空，距今已有大约10年的时间，因此，8#煤层回采造成的采空区围岩活动基本恢复到平稳状态，28205综采工作面回采所引起的矿山压力活动已处于稳定状态，其下部9#煤开采受8#煤回采的动压影响相对比较小。

1.3地质条件概况

29205综采工作面柱状图见图2.

图2　29205综采工作面柱状图

29205综采工作面正巷沿9#煤层顶板布置，9#煤层厚度在1.8～2.38 m，平均厚度为2.2 m，煤层结构复杂，含矸1层，厚度在0.1 m左右。29205工作面煤层整体倾向西南，倾角2°～7°，平均3°.

2　近距离煤层回采巷道布置方式数值模拟

2.1数值模拟模型建立

以西曲矿实际地质情况为基础，通过数值模拟软件，首先计算29205综采工作面在上覆8#煤层工作面回采之后围岩应力变化状态，其次模拟计算29205综采工作面正巷在不同内错距离条件下围岩应力变化以及分布特征，最后计算相邻的29204综采工作面回采之后对29205综采工作面正巷的影响情况。

数值模拟模型取29205综采正巷左下角点为坐标原点，水平向右为X轴正方向，沿巷道方向垂直向内为Y轴正方向，垂直向上为Z轴正方向，重力方向沿Z轴负方向。三维模型的边界条件取：四周采用铰支，底部采用固支，上部为自由边界。初始应力按照地质力学测试实测数据进行施加。在计算中，模拟了28204综采工作面和28205综采工作面回采，29205综采工作面正巷掘进及29204综采工作面回采对巷道围岩应力和变形的影响情况。

数值模拟模型见图3.

图3　数值模拟模型图

2.2数值模拟方案

在29205综采工作面正巷现有开采情况的基础上，综合分析，提出3种不同回采巷道布置方案进行对比分析。方案具体如下：1) 方案1中29205综采工作面正巷采用内错布置，内错距离为中对中留设10 m煤柱，实体煤柱为6 m. 2) 方案2中29205综采工作面正巷采用内错布置，内错距离为中对中留设7 m 煤柱，实体煤柱为3 m. 3) 方案3中采用重叠布置，将29205综采工作面正巷布置在28205综采工作面正巷的正下方[4-5].

2.3数值模拟结果分析

29205正巷在掘进后受到8#煤残留煤柱影响下围岩垂直应力场分布情况见图4，29205正巷掘进后围岩塑性破坏区分布情况见图5.

图4　29205正巷掘进后围岩垂直应力场分布图

图5　29205正巷掘进后围岩塑性破坏区分布图

对比图4和图5进行分析可以得出：

1) 采用方案1时，29205正巷巷道全部处于上覆8#煤层采空区的应力降低区内，巷道所受到垂直应力很小，基本维持在2 MPa以内，并且此时巷道围岩塑性破坏区也很小，仅仅在顶板边角和右帮有局部发生塑性破坏，其破坏程度较小。

2) 采用方案2时，29205正巷巷道也处于上覆8#煤层采空区下的应力降低区，此时巷道围岩应力环境也较好，垂直应力在2～4 MPa，在方案1的基础上有所增加，这是由于采用方案2煤柱尺寸有所减小造成的，但是相对来说，巷道围岩的应力环境也较利于巷道的稳定和维护。并且此时巷道在顶板上方产生一定范围的塑性破坏，破坏深度大约在顶板深度的0.5 m范围内，与方案1相比较有一定程度的增加。

3) 采用方案3时，29205正巷围岩垂直应力发生了很大的变化，在巷道顶板和两帮的垂直应力有了很大的增加，尤其是巷道的右帮，垂直应力峰值最大达到了18 MPa，而采用方案1和方案2时的29205正巷围岩垂直应力仅为2～4 MPa，并且此时29205正巷巷道右帮垂直应力的变化梯度也十分明显，从最小的8 MPa变化到最大的18 MPa，此时巷道处于一种高度应力及高应力变化梯度的环境中，对巷道的变形和破坏非常不利。从29205正巷顶板到底板均有不同程度的破坏，同时巷道的两帮也发生明显塑性破坏，其中右帮即靠近煤柱的巷帮破坏非常严重，因此，在此种条件下采用重叠法布置，是非常不利的。

综上所述，在上部8#煤层工作面回采之后，在8#煤层采空区的上方和下方均出现了垂直应力降低区，同时在8#煤层保护煤柱出现了高的应力升高区，因此，9#煤层工作面巷道布置应该避开高的煤柱应力影响区，因此，优先选择将巷道布置在应力降低区内，对巷道后期受力和维护十分有利。对比方案1与方案2，方案2虽然维护难度有一定程度的增加，但是可以多采出3 m煤柱，可以多回收煤炭资源8 617 t，因此，综合对比分析采用方案2.

3　总　结

1) 通过FLAC3D数值模拟对西曲矿近距离煤层回采巷道布置形式进行分析，总结得出，在上部8#煤层工作面回采之后，在8#煤层采空区的上方和下方均出现了垂直应力降低区，同时在8#煤层保护煤柱出现了高的应力升高区。因此，9#煤层工作面巷道布置应该避开高的煤柱应力影响区，因此，优先选择将巷道布置在应力降低区内，对巷道后期受力和维护十分有利。同时对提出的3种近距离煤层回采巷道布置方案进行数值模拟对比分析得出，方案2虽然维护难度有一定程度的增加，但是可以多采出3 m煤柱，可以多回收煤炭资源8 617 t，综合确定方案2为最合理方案。

2) 通过加强29205综采工作面回采巷道的支护强度，在29205综采工作面回采期间，回采巷道围岩稳定性较好，实现了良好的经济技术效益。

[1]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.

[2]张伟.近距离煤层采空区下综采工作面矿压显现规律[J].煤矿开采,2011,16(6):84-86.

[3]安宏图.极近距离煤层采空区下回采巷道布置与围岩控制技术研究[D].太原：太原理工大学,2015.

[4]刘宗柱.近距离煤层群下煤层回采巷道布置及围岩控制技术研究[D].徐州：中国矿业大学,2014.

[5]李斌.近距离煤层回采巷道布置方式研究[J].煤炭工程,2012(S2):27-29.

Research on Numerical Simulation of Mining Roadway Layout in Close Distance Coal Seams

FENG Qiyong

Takes the geological condition of No.8 and No.9 close distance coal seams in Xiqu coal seam as the engineering background, using the research methods of field measurement and numerical simulation, studies on 29205 full mechanized coal mining face mining roadway layout in the lower of north second panel. Through the analysis of surrounding rock vertical stress and plastic failure zone under the different roadway layout conditions of 29205 fully mechanized coal mining face, obtains the reasonable mining roadway layout under the geological conditions of No.8 and No.9 close distance coal seams, and the results of numerical simulation for No.8 and No.9 close distance coal seams mining play a guiding role.

Close distance coal seams; Mining roadway; Numerical simulation; Plastic failure

2016-04-27

冯琦勇(1981—)，男，山西孝义人，2009年毕业于中国矿业大学，工程师，主要从事煤矿通风安全技术管理工作

(E-mail)1547059092@qq.com

TD322

A

1672-0652(2016)05-0032-04