上覆及側(cè)向采空條件下近距離煤層沿空巷道布置研究

楊 軍，于世波

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.北京礦冶研究總院礦山工程研究設(shè)計(jì)所，北京 100070)

近年來，隨著煤炭需求量的增加，以及煤炭資源的大量開采，地質(zhì)條件復(fù)雜、開采難度較大的近距離煤層開采已成為必然。我國(guó)近距離煤層賦存和開采所占的比重很大，許多煤礦和大多礦區(qū)都存在近距離煤層開采的問題[1-2]，大量的近距離煤層的開采引起許多急需解決的重要工程技術(shù)難題。其中，相鄰多工作面開采下的沿空巷道的圍巖穩(wěn)定性控制是一個(gè)亟待解決的問題。國(guó)內(nèi)外專家分別從沿空巷道布置方式[3-9]、近距離煤層的破壞現(xiàn)象[10-11]、沿空巷道控制對(duì)策[12]等方面進(jìn)行了研究。

本文針對(duì)南屯煤礦93下05工作面上覆及側(cè)向采空條件下的特殊情況，采用數(shù)值模擬的方法，研究相近多工作面開采后近距離煤層沿空巷道的布置問題。

1 93下05工作面工程地質(zhì)條件

1.1 地層巖性

南屯煤礦含煤地層均為上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組，其中九采區(qū)內(nèi)的含煤可采煤層為二疊系山西組3上層煤和3下層煤，3上A層煤。其中，3上A層煤為局部可采，而3上層煤已基本采完，現(xiàn)主要開采3下煤層。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

93下05綜采工作面為一單斜構(gòu)造，煤層走向北西-南東向；煤層平均傾角為13°，工作面標(biāo)高-399.4～-530m。據(jù)相鄰工作面巷道及揭露資料顯示，該工作面地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，在掘進(jìn)過程中預(yù)計(jì)將揭露22條斷層，其中3F209斷層(H=2.0m左右)斷層落差較大，將給正常掘進(jìn)造成一定的影響。

1.3 93下05工作面位置

93下05工作面位于93上05工作面(已于2006年01月停采)下方(圖1)，左側(cè)為原9307工作面(已于2003年11月停采)，工作面右上方為93上03工作面(已于2008年03月停采)。間隔夾矸厚度在2.32～6.19m之間，平均為4.6m，是典型的近距離煤層，并且93下05工作面處于上覆93上05采空區(qū)及側(cè)向93下07采空區(qū)多工作面采動(dòng)后的作用下，并在回采期間還將受到本工作面回采的劇烈影響。以下結(jié)合本工作面的具體工程地質(zhì)條件，采用數(shù)值模擬的方法研究上覆及側(cè)向采空形成的多工作面動(dòng)壓疊加下93下05工作面沿空巷道的合理位置。

圖1 93下05工作面位置示意圖

2 多工作面開采動(dòng)壓疊加分布規(guī)律

2.1 回采順序及模型建立

回采的先后順序?yàn)椋?307工作面(2003年11月停采)→93上05工作面(2006年01月停采)→93上03工作面(2008年03月停采)→93下05工作面。

工程地質(zhì)模型在ANSYS軟件中生成，通過相關(guān)的接口程序?qū)⒛Ｐ蛯?dǎo)入FALC3D中。本次研究的模型計(jì)算范圍為長(zhǎng)×寬×高=570m×300m×120m，共劃分185300個(gè)單元，193902個(gè)節(jié)點(diǎn)，工程地質(zhì)模型如圖2所示。該模型側(cè)面限制水平移動(dòng)，底部固定，模型上表面為應(yīng)力邊界，施加的荷載為12.5MPa，模擬上覆巖體的自重應(yīng)力。材料破壞符合Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則。

圖2 工程地質(zhì)模型

工作面推進(jìn)速度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定推進(jìn)步距為6.0m，工作面?zhèn)饶M錨桿的cable單元隨著工作面的推進(jìn)逐步拆除。為了模擬綜采全過程，將采空區(qū)冒落的矸石考慮為一種松散介質(zhì)。工作面每推進(jìn)6.0m、運(yùn)算每500時(shí)步記錄一次計(jì)算結(jié)果。由于工作面的不斷推進(jìn)，采空區(qū)和垮落區(qū)始終處于運(yùn)動(dòng)和變化之中，致使計(jì)算過程中需要不斷變換垮落區(qū)材料單元的力學(xué)參數(shù)和垮落區(qū)域。

2.2 側(cè)向工作面開采后應(yīng)力分布規(guī)律

通過圖3可以看出，側(cè)向9307工作面回采后，底板巖層中形成四個(gè)礦壓顯現(xiàn)區(qū)，分別為應(yīng)力增高區(qū)、應(yīng)力降低區(qū)、影響微弱區(qū)、原巖應(yīng)力區(qū)，其礦壓顯現(xiàn)規(guī)律跟普通單側(cè)開采的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律類似。由于巖層為傾斜巖層，單側(cè)開采后，在煤巖體側(cè)形成側(cè)向支承壓力峰值區(qū)域；峰值應(yīng)力向底板深處傳播和衰減，傳播方向與垂直方向成20°夾角。

圖3 9307工作面開采后側(cè)向垂直應(yīng)力分布

2.3 上覆工作面開采后底板疊加應(yīng)力分布規(guī)律

9307工作面與93上05工作面之間留有5m的區(qū)段煤柱。93上05工作面開采后，在煤柱附近應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生疊加，最大垂直應(yīng)力為41.0MPa，側(cè)向壓力集中系數(shù)達(dá)到3.28，側(cè)向支承壓力較大，對(duì)于后期3下煤層開采時(shí)沿空巷道的維護(hù)帶來困難。由圖4可以看出，近距離煤層9307與93上05之間的區(qū)段煤柱疊加應(yīng)力通過煤柱在底板中傳播不是沿著煤柱方向，也不是沿著垂直于煤層底板方向，而是沿著與煤柱方向呈一定夾角的方向傳播，與煤柱中心線角度為5°，偏93下05工作面方向。而且應(yīng)力等值線并不是沿著傳播方向兩邊對(duì)稱。底板中的疊加應(yīng)力以煤柱向底板傳遞，在底板中呈現(xiàn)“泡形”擴(kuò)散分布。

2.4 93上03工作面開采對(duì)沿空巷道附近應(yīng)力分布規(guī)律影響分析

通過圖5可以看出，93上03工作面回采后，93下05工作面沿空側(cè)側(cè)向支承集中系數(shù)為3.27，略小于93上05工作面回采后的側(cè)向壓力集中系數(shù)3.28。因此93下05工作面沿空側(cè)附近的應(yīng)力分布規(guī)律受93上03工作面開采的影響甚微，從疊加應(yīng)力分析方面，不足以影響93下05工作面沿空巷道布置位置。

3 沿空巷道位置布置優(yōu)化分析

通過以上分析，可以得出圖6所示的3下煤底板最終垂直應(yīng)力分布圖。

1)9307工作面開采后側(cè)向應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到2.1，峰值位置位于離9307采空區(qū)煤壁9.1m處。

2)93上05及93上03工作面開采后沿空巷道附近3下煤底板的垂直應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到2.6，出現(xiàn)在離9307采空區(qū)煤壁2.9m處，應(yīng)力峰值位置由距9307采空區(qū)煤壁9.1m處轉(zhuǎn)移到距9307采空區(qū)煤壁2.9m處，主要原因是受到側(cè)向9307采空區(qū)及上覆93上05采空區(qū)之間區(qū)段煤柱的影響，且由于多工作面開采引起的應(yīng)力增高區(qū)域達(dá)到19.6m。

3)根據(jù)以上分析并結(jié)合兗州礦區(qū)沿空巷道的位置選擇經(jīng)驗(yàn)，將沿空巷道留設(shè)在距9307采空區(qū)下幫側(cè)煤壁6～10m的范圍，此范圍避開了應(yīng)力的峰值區(qū)域，并且此種煤柱留設(shè)方式煤柱損失較小，滿足煤柱煤體不發(fā)生采空區(qū)漏風(fēng)、誘發(fā)自燃的要求?，F(xiàn)場(chǎng)采用6m的煤柱，巷道采用錨網(wǎng)+工字鋼支護(hù)，經(jīng)過掘進(jìn)及回采期間的檢驗(yàn)，能夠滿足巷道的穩(wěn)定性要求。

圖4 93上05工作面開采后垂直應(yīng)力分布

圖5 93上03工作面開采后沿空側(cè)3下煤底板垂直應(yīng)力分布

圖6 3下煤底板最終垂直應(yīng)力分布

4 結(jié)論

本文針對(duì)南屯煤礦上覆及側(cè)向均采空的復(fù)雜條件下沿空巷道的位置布置問題采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論。

1)側(cè)向工作面開采后的應(yīng)力分布規(guī)律與普通單一工作面開采后的應(yīng)力分布規(guī)律一致。

2)上覆工作面回采后，底板中的應(yīng)力傳播方向發(fā)生急轉(zhuǎn)，應(yīng)力傳播向93下05工作面方向發(fā)展，應(yīng)力集中程度進(jìn)一步提高。

3)在分析多工作面開采后疊加應(yīng)力分布特征的基礎(chǔ)上，確定了93下05工作面沿空巷道的留設(shè)煤柱尺寸為6～10m。

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