复采工作面回采巷合理布置位置研究

李东峰

（霍州煤电杜家沟煤业有限公司，山西 河津 043300）

煤炭资源是我国经济发展及科技进步不可缺少的物质基础，据统计，我国约70%的能源源于化石能源（煤炭资源），且未来很长一段时间，煤炭资源在我国能源中所占比重不会发生变动，稳居第一位。在20世纪90年代，我国煤炭资源开采方法较为落后，使得较多的原煤留于采空区中，这无疑使得煤炭资源大量浪费，所以为了提升煤炭开采率，达到降本增效的目的，针对性地提出煤炭资源回采技术[1-2]。在进行煤层回采过程中，回采巷道变形大、破坏严重的问题制约着矿井的开采，因此巷道合理的布设位置对于矿井开采十分重要[3-4]。本文以杜家沟煤业为工程背景，通过数值模拟及理论分析对回采巷道的层位布置位置进行研究，同时对不同巷道位置下巷道变形情况进行一定的分析，给出复采条件下回采巷道布置的最佳位置，有效控制了回采巷道的围岩变形，保证了巷道稳定性，为矿井高效回采提供一定的理论指导。

1 数值模拟准备

杜家沟煤业位于吕梁山脉南缘，临汾盆地的西南山地，汾河、黄河交汇的三角地带，井田总体地势为东部高、西部低，最高点位于上院村东部，海拔925.0 m，最低点位于井田西部沟底，海拔580.0 m，相对高差345.0 m，属低山区。开采煤层在井田内分布有大片剥蚀无煤区，赋存区内煤层厚2.90~4.80 m，平均3.59 m，属厚煤层，其可采性指数为1、厚度变异系数为16.38%，属赋煤区稳定可采煤层。一般含0~1层夹矸，夹矸厚度0.30 m左右，结构简单。煤层顶板为泥岩、砂质泥岩，底板为砂质泥岩、粉砂岩。该煤层在补堪电法勘探区外由于整合前各矿及历史存在小窑的多年开采，在电法勘探区内，经钻探、物探、巷探及以往开采资料综合分析研究后，推断出该煤层存在遗留资源，所以对复采巷道布设进行研究。

首先对复采巷道围岩性质进行测定，对杜家沟煤业围岩进行取样，进行力学性质测试，以保证数值模拟的准确性，经过前期的研究，分别对试样进行抗压、抗拉等数据的测定，给出围岩的力学参数如表1所示。

表1 围岩的力学参数表

在布设回采巷道时，主要考虑2号煤层的赋存条件，有两种回采巷道布置方案可以选择。方案一为沿2号煤层的顶板进行巷道布设，方案二为沿2号煤层的底板进行布设，两种回采巷道布置示意图如1所示。

图1 两种回采巷道布置示意图

对回采巷道沿煤层顶板布置形式进行数值模拟研究，建立岩层模型长×宽×高为200 m×150 m×100 m，沿左边界在46 m的位置处设置煤柱，在4 m位置处设置巷道，在0.8 m位置处设置柔模充填体，对模型进行物理参数设置。为保证计算的精度及可靠性，根据先前试验测得的岩层物理属性进行设置，对模型的边界进行固定约束设定，网格划分遵循精确位置细化分原则，对模型进行模拟计算。本次模拟分别对两种支护方案进行分析，对巷道顶板的1 m空顶进行充填，并对破碎顶板岩石进行清理，利用巷帮切墙进行支护，并对底板进行逐步加固。

2 数值模拟研究

当工作面布置于回采巷道顶板位置时，围岩破坏及应力分布情况如图2-1、图2-2所示，此时围岩的塑性破坏范围不大，巷道围岩底板及顶板的破坏范围分别为0.25 m和0.75 m，巷道发生的破坏主要集中在巷道的左帮位置，此时的最大破坏范围为0.5 m；观察巷道围岩的垂直应力分布云图可以看出，此时应力主要集中在充填体的位置，在此位置的垂直应力趋于8~10 MPa。

当工作面布置于回采巷道底板位置时，围岩破坏及应力分布情况如图2-3、图2-4所示，从围岩塑性破坏图中可以看出，此时的巷道围岩塑性变形范围相对较小，此时的巷道底板破坏较小，同样在巷道的左帮位置出现一定的剪切应力，巷帮出现剪切破坏，此时的最大破坏范围为0.5 m；观察巷道布置于底板围岩的垂直应力可以看出，此时的充填体应力出现集中现象，应力大致分布在5~8 MPa，此时的巷道垂直应力小于巷道布置于巷道顶板位置时的应力，可以看出当巷道沿着煤层底板位置时，整体塑性破坏区域较小。

图2 两种布置方案下巷道塑性破坏及垂直应力分布图

对两种巷道布置方案下巷道顶板破坏范围、底板破坏范围、最大垂直应力、最大水平应力进行对比分析，不同层位布置下巷道围岩的变形及破坏对比图如图3所示。

图3 不同层位布置下巷道围岩的变形及破坏对比图

从图3-1中可以看出，当沿着顶板进行掘进时，此时的顶板最大破坏范围为0.75 m，底板最大破坏范围为1.75 m，左帮最大破坏范围为1.25 m，而当沿着底板进行掘进时，此时顶板最大破坏范围为1 m，底板最大破坏范围为0.25 m，左帮最大破坏范围为1.5 m。由此可以看出，当沿着底板进行掘进时，此时的巷道顶板破坏范围及左帮破坏范围与沿着顶板掘进相差不大，但对底板的破坏发生范围明显降低，所以将巷道沿着底板布置时整体破坏较小。

从图3-2中可看出，当沿着顶板掘进时，此时的最大垂直应力及最大水平应力分别为25 MPa和16 MPa，而沿着底板进行掘进时，此时的最大垂直应力及最大水平应力分别为20 MPa和12 MPa。由此看出，当巷道沿着巷道底板进行布置时，巷道的整体应力环境较佳。

综上所述，当回采巷道沿着巷道底板进行掘进时，此时的巷道塑性变形、巷道围岩垂直应力、围岩水平应力及充填体的破坏等均能满足巷道围岩控制要求，所以将巷道布置于沿巷道底板掘进时的位置为最佳。

3 结论

1）通过对杜家沟煤业围岩进行取样，进行力学性质测试，给出了围岩试样的抗压、抗拉强度等数据，为后续数值模拟打下一定的基础。

2）利用数值模拟软件对巷道合理布置位置进行模拟研究，给出了沿顶板掘进及沿底板掘进下巷道的塑性破坏云图及垂直应力分布云图。

3）对数值模拟计算得到的沿顶板掘进及沿底板掘进下巷道的塑性破坏云图及垂直应力分布云图进行数据对比，发现当回采巷道沿着巷道底板进行掘进时，此时的巷道塑性变形及应力分布均满足控制要求，布设位置较佳。