近距离煤层遗留区段煤柱下巷道合理布置研究

李飞

（贵州水矿控股集团有限责任公司 汪家寨煤矿，贵州 六盘水 553000）

0 引 言

我国煤炭赋存多为近距离煤层，近距离煤层是指煤层间开采有着较为明显采动影响的煤层[1-3]，上层煤开采后会引起下层煤应力的重新分布[4-6]，目前许多学者对此进行了研究。赵宇德[7]采用理论结合数值模拟的方法，研究了遗留煤柱的稳定性，分析了煤柱下的应力分布规律；李成海等[8]计算了区段煤柱的合理宽度，并用UDEC 数值模拟了巷道分别沿顶板和底板掘进时围岩的变形特征，最终确定了巷道的掘进方式与护巷煤柱的宽度；神文龙等[9]综合测压系数、应力集中系数以及应力梯度提出了“三指标法”，分析了残留煤柱下三类指标的分布特征，阐述了三类指标对巷道稳定性的协同作用规律。虽然大量专家学者对近距离煤层开采进行了相关研究，但是受重复采动影响，不同地质、开采条件下，遗留煤柱下应力分布规律不同，因此，针对近距离煤层遗留区段煤柱下巷道合理位置的选择仍需要做进一步的研究。

为确定汪家寨煤矿遗留区段煤柱下影响下回采巷道的布置位置，运用数值模拟与现场实测等方法，研究7 号煤层开采后8 号煤层的应力分布，分析不同巷道内错距离时，巷道的应力与变形特征，确定回采巷道的合理位置，保障回采巷道的掘进安全，降低巷道的维护成本，为类似矿井提供参考。

1 概 况

汪家寨煤矿8 号煤层的平均煤厚为4 m，煤层倾角平均为6°，埋深400 m，8 号煤层上覆为7号煤层，煤层平均厚度为3.5 m，煤层倾角平均为4°，现7 号煤层即将回采完毕，形成采空区和遗留区段煤柱区，区段遗留煤柱宽度为15 m，7 号煤层与8 号煤层层间距为8 m，为近距离煤层。受重复采动与区段遗留煤柱影响，需研究7 号煤层开采后8 号煤层的应力分布，对8 号煤首采面回采巷道位置进行合理选择。

2 遗留区段煤柱下巷道合理布置模拟研究

2.1 模型建立

为研究7 号煤层开采后8 号煤层的应力分布，对8 号煤1541 首采面回采巷道位置进行合理选择，以汪家寨煤矿15 采区为工程背景，建立数值模型，模型尺寸：长×宽×高=320 m×320 m×94 m，左、右、底部边界固定，顶板施加应力边界，施加应力大小为8.75 MPa，回采巷道高4 m，宽6 m，如图1 所示。巷道错距分别取-6、0、6、12 m 四种方案，如图2 所示，利用FLAC3D 数值模拟软件对4 种巷道错距方案进行模拟计算。

图1 模型尺寸示意Fig.1 Model size indication

图2 巷道内错布置方案Fig.2 Layout scheme of roadway internal dislocation

结合相关力学研究与现场实测，综合考虑岩石的性质等因素，采用的岩层力学参数见表1。

表1 各岩层物理参数Table 1 Physical parameters of each rock stratum

2.2 下行开采8 号煤应力分布

7 号工作面回采后8 号煤层的垂直应力分布如图3 所示。

图3 遗留煤柱下8 号煤垂直应力与剪切应变分布曲线Fig.3 The vertical stress and shear strain distribution curve of No.8 coal seam under the remaining coal pillar

从图3 中可知，8 号煤在遗留煤柱下正下方垂直应力达到峰值，最大值为44.43 MPa，约为原岩应力的4.4 倍，随着距煤壁中心距离的增加，垂直应力减小；根据近距离煤层下行开采巷道布置原则，8 号回采巷道应布置到应力卸压区，在距煤柱中心13 m 后，垂直应力减小到原岩应力，说明8号回采巷道应布置在距煤柱中心13 m 后，即巷道内错距离应大于5 m。

2.3 不同内错距离巷道应力分析

不同内错距离巷道的垂直应力分布情况，如图4 所示。

图4 不同内错距离巷道垂直应力分布云图Fig.4 Vertical stress distribution cloud map of roadway with different internal fault distance

可以看出，巷道内错距离为-6 m 时，巷道位于遗留煤柱下方，受应力集中影响较大，内错距离为0 时，巷道左帮侧受煤柱传递下来的集中应力较为明显，当内错距离大于6 m 后，巷道位于应力降低区。

不同内错距离时巷道顶板的剪切应力分布曲线如图5 所示。

图5 不同内错距离巷道顶板剪切应力分布曲线Fig.5 Shear stress distribution curve of roadway roof with different internal dislocation distance

可以看出，巷道内错距离为-6 m 时巷道顶板两端的剪切应力最大，分别为5.97 MPa 和5.92 MPa，且巷道内错距离为-6 m 时巷道顶板整体应力分布曲线变化较大；巷道内错距离大于6 m 后剪切应力变化较为平缓，且整体剪切应力较小。

2.4 不同内错距离巷道围岩变形分析

不同内错距离时巷道顶板垂直位移分布如图6所示。

图6 不同内错距离巷道顶板垂直位移分布Fig.6 Vertical displacement distribution of roadway roof with different internal dislocation distance

从图6 可知，受遗留区段煤层的影响，巷道顶板左侧的位移大于右侧；内错距离在-6 ～6 m，随着巷道内错距离的增加，巷道顶板的垂直位移减小较为明显，内错距离大于6 m 后巷道顶板的垂直位移整体下降趋势减缓，整体下沉量较小。

不同内错距离时，巷道左帮水平位移分布如图7 所示。

图7 不同内错距离巷道左帮水平位移分布Fig.7 Horizontal displacement distribution of left side of roadway with different internal fault distance

巷道内错距离为-6 m 时，巷道左帮中部的水平位移最大，内错距离大于0 后，巷道左帮顶部的水平位移最大，随着巷道内错距离的增加，巷道左帮的水平位移整体呈下降趋势。

总体来看，巷道内错距离为-6 m 时，巷道受上方遗留区段煤柱的影响最大，随着巷道内错距离的增加，巷道受上方遗留区段煤柱的影响逐渐减小，当内错距离大于6 m 后，巷道位于卸压区，受上方遗留区段煤柱的影响较小，因此综合考虑围岩应力、变形分布特征规律，最终确定巷道的内错距离为6 m。

3 现场实测

为验证巷道内错距离选择的合理性，巷道掘进后在现场对巷道变形进行观测记录，得到巷道顶底板与两帮移近量如图8 所示。

图8 掘进期间回采巷道围岩变形量Fig.8 Deformation of surrounding rock in mining roadway during excavation

从图8 可以看到，0～8 d 巷道顶底板移近量增长较快，然后趋于平缓，巷道顶底板移近量最大为119.66 mm；10～15 d 巷道两帮移近量增长较大，15 d 之后巷道两帮移近量趋于平缓，两帮最大移近量为63.48 mm；整体来看，巷道围岩变形量较小，因此可知巷道位于卸压区，内错距离选择合理。

4 结 论

利用数值模拟研究了不同内错距离时巷道的垂直应力与剪切应力分布，分析了不同内错距离巷道的围岩变形特征，确定了合理的内错距离，主要结论如下。

（1） 8 号煤在遗留煤柱下正下方垂直应力达到峰值，约为原岩应力的4.4 倍，随着距煤壁中心距离的增加，垂直应力减小，影响范围为距煤柱中心水平距离13 m，回采巷道应布置在应力降低区。

（2） 巷道内错距离为-6 m 时，巷道垂直应力、剪切应力及围岩变形量均为最大，随着巷道内错距离的增加，巷道受上方遗留区段煤柱的影响逐渐减小，当内错距离大于6 m 后，巷道位于卸压区，确定了巷道合理的内错距离为6 m。

（3） 通过现场实测得到内错距离为6 m 时，巷道顶底板移近量最大为119.66 mm，两帮最大移近量为63.48 mm，巷道围岩变形量整体较小，均在可控范围内，验证了巷道内错距离选择的合理性。