采空区下近距离煤层回采巷道合理位置选择

2021-11-16 02:25:24王恩博
2021年11期
关键词:错距遗留煤柱

王恩博

(晋能控股煤业集团,山西 大同 037000)

近距离煤层在我国各大矿区均有赋存,由于两煤层之间距离较小,煤层回采过程中互相影响,极大地威胁了矿井安全开采[1-2]。当上煤层回采完毕,留在采空区的集中煤柱,受到覆岩载荷的作用,形成的集中应力向煤层深处传递,当应力传递范围超过两煤层间距时,会对下煤层工作面开采及巷道布置产生极大的影响[3-4]。下煤层回采巷道如何布置是困扰现场工程技术人员的难题。文章利用数值模拟的方法,对下煤层回采巷道不同错距时,围岩应力分布、塑性破坏、变形等情况进行分析,最终确定合理的布置位置。

1 工程概况

某矿主采8号和9号煤,两煤层间距8.2 m,属于近距离煤层。其中8号煤平均厚度4.2 m,平均倾角4°,直接顶为泥岩,平均厚度3.5 m,基本顶为砂岩、粉砂岩,平均厚度为8.2 m,8号煤层均采用一次采全高综合机械化采煤工艺,目前已经全部开采完毕,遗留煤柱宽度25 m。9号煤厚度2.5 m,平均倾角5°,顶板为炭质泥岩和泥岩互层,厚度8.2 m。9号煤层回采巷道尺寸为3.6 m×2.5 m,9号煤层回采巷道的布置为近距离煤层开采过程中主要的难题之一,巷道布置如图1所示。

图1 巷道布置示意

2 近距离煤层回采巷道错距理论计算

近距离煤层回采过程中,上煤层开采遗留在采空区中的集中煤柱,受到上覆岩层的作用将形成应力集中,集中的应力向下传递,下煤层中的应力将重新分布,分布曲线如图2所示[5]。距煤柱不同距离时,应力值也不同,随着距煤柱距离的增加,应力也在逐渐减小。矿压相关理论认为[6],0.1p的应力对于回采巷道的影响极小,因此近距离下煤层巷道应当布置在以0.1p为边界以外的地方。

图2 煤柱应力在底板中分布规律

结合矿井实际开采技术条件,9号煤回采与8号煤遗留煤柱之间的关系如图3所示。

图3 煤柱支承压力对9号煤巷道影响示意

在9号煤层开采时,为了避免8号煤遗留煤柱对其回采巷道产生影响,9号煤回采巷道必须布置在影响线外的煤层中,其中根据两煤层层间岩层特性及现场监测煤柱集中应力传播角α取46°,则巷道内错距离L应该满足以下公式:

L≥(h1+h2)tanα

式中:h1为两煤层之间层间距,取8.2 m;h2为9号煤层厚度,取2.5 m;α为煤柱集中应力传播角,取46°。

因此,根据上式计算得到9号煤回采时,回采巷道应该内错8号煤层遗留煤柱11.1 m以上进行布置。

3 数值模拟

3.1 数值模型的建立

采用FLAC数值模拟软件研究9号煤层回采巷道合理位置的选择,分别建立错距L为5 m、10 m、15 m、20 m四个模型分析回采巷道围岩塑性破坏、应力分布等情况,最终确定合理的错距。数值模型尺寸=长(180 m)×宽(280 m)×高(80 m),模型的4个侧面为位移边界,限制水平移动;底部为固定边界,限制水平移动和垂直移动。模型划分8 568个单元,11 856个节点。数值模型模拟所用煤岩物理力学参数见表1。

表1 煤岩物理力学参数

3.2 模拟过程

建好模型后,计算初始应力场至平衡,先开挖8101工作面,计算至平衡后,再开挖8102工作面,计算至平衡并读取相应围岩变形量作为初始值。然后模拟9101工作面推进,同时分析工作面推进过程中不同错距下,9101主运巷围岩应力、移近量以及屈服破坏特征。每次开挖后,计算至平衡,再进行下一次开挖。在整个模拟运算过程中,始终监测9101主运巷变形情况,记录并存储每一步运算结果。

3.3 模拟结果分析

3.3.1 巷道围岩屈服破坏特征

不同错距下巷道围岩屈服破坏特征分布情况,如图4所示。

图4 不同错距下巷道围岩屈服破坏特征

由图4可知,随着9号煤回采巷道距离上覆遗留煤柱距离的逐渐减小,巷道屈服破坏面积也逐渐增加,尤其巷道两帮屈服破坏尤为严重。20 m错距情况下,巷道顶板最大破坏深度为0.5 m,两帮最大破坏深度为1 m;15 m错距情况下,巷道顶板最大破坏深度为0.5 m,两帮最大破坏深度为1.5 m,位于巷道右下角;10 m错距情况下,巷道顶板最大破坏深度为0.5 m,两帮破坏显著加剧,最大破坏深度为1.5 m且破坏面积增加;5 m错距情况下,巷道顶板最大破坏深度为0.5 m,两帮最大破坏深度增加至2 m;由此可以看出,9号煤合理的回采巷道位置应大于15 m。

3.3.2 巷道围岩应力分布特征

不同错距下巷道围岩垂直应力分布特征,如图5所示。

图5 不同错距下巷道围岩垂直应力分布特征

从图5可以看出,在巷道两帮形成垂直应力升高区,对称分布,随错距的减小,巷帮垂直应力峰值升高,并向巷帮深部转移,在巷帮浅部形成应力降低区;巷道两帮垂直应力分布由对称状态逐渐转变为非对称态或偏载状态,当错距小于15 m后,巷道两帮受力偏载状态更加明显,尤其错距缩小到5 m时,巷道左帮最大应力为8 MPa,而右帮最大应力为12.8 MPa,两帮受力强度差距大,这样的应力分布特征会直接导致巷道围岩失稳变形。

3.3.3 巷道围岩变形特征

图6为不同错距下,巷道围岩移近量变化特征。

图6 不同错距下巷道围岩移近量变化特征

由图6可以看出,随着巷道错距不断增加,巷道顶底板、两帮变形都在逐渐降低。当错距15 m时,巷道顶底板移近量为22 mm,两帮移近量为34.7 mm,当错距20 m时,巷道顶底板移近量为18.8 mm,两帮移近量为30.8 m。可见错距增加到15 m后,巷道围岩变形量逐渐趋于稳定,在继续增加巷道错距,对于围岩变形影响较小。

结合理论分析及数值模拟结果,9号工作面回采巷道内错上覆遗留煤柱15 m情况下,可以保证巷道围岩稳定性。

4 结 语

结合矿井8号和9号近距离煤层赋存条件分析,利用理论分析和数值模拟分析得到以下结论:

1) 为了避免8号煤遗留煤柱对其回采巷道产生影响,应将巷道与煤柱内错布置,内错距离经过计算应该大于12.8 m。

2) 随着9号煤回采巷道错距减小,巷道屈服破坏面积也逐渐增加,尤其巷道两帮屈服破坏尤为严重。巷道两帮应力分布由对称向不对称甚至偏载方向转变,不对称的应力分布会直接造成巷道稳定性变差。

3) 随着9号煤回采巷道错距增大,巷道围岩变形逐渐降低。综合以上研究结果,9号工作面回采巷道内错上覆遗留煤柱15 m情况下,可以保证巷道围岩稳定性。

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