極近距離煤層群下煤層開(kāi)采巷道布置錯(cuò)距優(yōu)化模擬分析

王 麗 翟志華

(1. 呼倫貝爾學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市，021008；2. 匯永控股集團(tuán)有限公司鄂爾多斯市分公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，017000)

★ 煤炭科技·開(kāi)拓與開(kāi)采★

極近距離煤層群下煤層開(kāi)采巷道布置錯(cuò)距優(yōu)化模擬分析

王 麗1翟志華2

(1. 呼倫貝爾學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市，021008；2. 匯永控股集團(tuán)有限公司鄂爾多斯市分公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，017000)

以內(nèi)蒙古鄂爾多斯色連一礦為工程背景，運(yùn)用FLAC 3D數(shù)值模擬軟件，通過(guò)分析2-2煤層(上煤層)開(kāi)采對(duì)3-1煤層(下煤層)的影響來(lái)判定3-1煤層巷道錯(cuò)距的取值范圍，然后對(duì)該錯(cuò)距范圍內(nèi)的巷道布置做進(jìn)一步數(shù)值模擬分析。通過(guò)建立內(nèi)錯(cuò)5 m、7 m、9 m、11 m四種模型，從應(yīng)力及塑性區(qū)分布規(guī)律的角度入手，最終確定當(dāng)巷道內(nèi)錯(cuò)11 m，即3-1煤層中間煤柱42 m時(shí)較合理。數(shù)值模擬結(jié)果在現(xiàn)場(chǎng)得到了驗(yàn)證。

近距離煤層 巷道錯(cuò)距 布置優(yōu)化 數(shù)值模擬

煤炭作為我國(guó)的主要化石能源，在未來(lái)較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)其主導(dǎo)地位不會(huì)被動(dòng)搖，保證煤礦安全開(kāi)采對(duì)煤炭行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展以及我國(guó)經(jīng)濟(jì)的長(zhǎng)期穩(wěn)定具有重要意義。近些年對(duì)近距離甚至極近距離煤層群開(kāi)采的研究已經(jīng)成為煤層開(kāi)采研究的熱點(diǎn)，與普通煤層開(kāi)采相比，由于上煤層采動(dòng)應(yīng)力影響以及預(yù)留煤柱的應(yīng)力集中，使將要開(kāi)采的下煤層頂板受到不同程度破壞。

近距離煤層群在我國(guó)分布較廣泛，許多礦區(qū)，如大同礦區(qū)、淮南礦區(qū)等都存在近距離煤層群開(kāi)采過(guò)程中巷道的穩(wěn)定性問(wèn)題。所以，有必要在進(jìn)行施工之前先對(duì)煤層群進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得出基本規(guī)律后再結(jié)合工況考慮綜合因素對(duì)煤層開(kāi)采進(jìn)行有關(guān)設(shè)計(jì)，從而提高安全性和可靠性。

本文以內(nèi)蒙古鄂爾多斯色連一礦近距離煤層群下煤層開(kāi)采為工程背景，在實(shí)際地質(zhì)概況基礎(chǔ)上，利用三維數(shù)值模擬軟件FLAC 3D，對(duì)下行式開(kāi)采時(shí)下煤層巷道布置錯(cuò)距進(jìn)行了模擬及優(yōu)化分析。

1 地質(zhì)概況

色連一礦位于內(nèi)蒙古礦區(qū)，礦井開(kāi)采方式為下行式開(kāi)采，目前2-2煤層(上煤層)已基本開(kāi)采完成，要進(jìn)行3-1煤層(下煤層)的開(kāi)采設(shè)計(jì)。其中， 3-1煤層與2-2煤層間距為9.45～15.72 m，平均為12.83 m，3-1煤層綜采工作面長(zhǎng)度預(yù)計(jì)為260 m，煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，煤層沉積穩(wěn)定，屬穩(wěn)定煤層。煤層頂?shù)装鍘r石主要為砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖、粉砂巖，其次為粗粒砂巖。煤層具體賦存條件如圖1所示。

圖1 煤層及頂?shù)装鍘r層性質(zhì)柱狀圖

2 模型建立

2.1 模型簡(jiǎn)化

為了簡(jiǎn)化模型，提高工作效率，在對(duì)結(jié)果影響很小的基礎(chǔ)上將模型簡(jiǎn)化為水平巖層布置。模型總尺寸為680 m×100 m×308.6 m，從下至上依次為80 m厚的下層巖體、20 m厚的砂質(zhì)泥巖、3 m厚的3-1煤層、2 m厚的粉砂巖、3.6 m厚的2-2煤層、1 m厚的泥巖、26 m厚的砂質(zhì)泥巖和最上層180 m厚的上覆巖體至地表，數(shù)值模型如圖2所示。模型的前后左右被法向固定，下部3個(gè)自由度均固定，上部不固定，重力加速度取-10 m/s2。

圖2 極近距離煤層下煤層開(kāi)采FLAC 3D模型

2.2 網(wǎng)格劃分

模型網(wǎng)格的劃分需要基于精確和簡(jiǎn)便的雙重原則，網(wǎng)格尺寸(Y×X)為5 m×4 m；將中間煤柱及巷道周?chē)木W(wǎng)格細(xì)化，在X方向單元長(zhǎng)度為1 m，使得受力研究的單元變多，在研究塑性區(qū)、應(yīng)力和位移時(shí)取點(diǎn)變多，從而使模擬結(jié)果更加精確，如圖3所示。

圖3 模型網(wǎng)格細(xì)化圖

3 巷道布置初步分析

本文首先通過(guò)分析上煤層開(kāi)采對(duì)3-1煤層(下煤層)的影響來(lái)判定3-1煤層巷道錯(cuò)距取值范圍，然后對(duì)巷道布置的錯(cuò)距做進(jìn)一步數(shù)值模擬分析，為工程實(shí)際提供參考。

2-2煤層開(kāi)挖回填后，接下來(lái)需要模擬的是3-1煤層的開(kāi)挖，3-1煤層模擬的順序?yàn)橄乳_(kāi)挖巷道，再開(kāi)挖工作面，并且在開(kāi)挖工作面時(shí)要按照實(shí)際要求分步開(kāi)挖，每次開(kāi)挖8 m，以提高運(yùn)算精確度。3-1煤層巷道尺寸為5 m×70 m×3 m，開(kāi)切眼尺寸為5 m×260 m×3 m。由上述分析可知，2-2煤層在采空區(qū)形成后，會(huì)形成一定范圍的應(yīng)力增高區(qū)和應(yīng)力降低區(qū)。

在模型的中部位置，選取垂直于巷道走向的剖面分析中間煤柱兩邊巷道的應(yīng)力，并做出應(yīng)力等值線圖，綜合分析得出巷道布置大致范圍。3-1煤層豎向應(yīng)力曲線圖見(jiàn)圖4。

圖4 3-1煤層豎向應(yīng)力曲線圖

在建立模型時(shí)，3-1煤層原巖應(yīng)力F的計(jì)算式如下：

F=ρgH

(1)

式中：ρ——巖體密度，取1000 kg/m3；

g——重力加速度，取10 m/s2；

H——煤層埋深，取208.6 m。

由式(1)可以得出，3-1煤層原巖應(yīng)力大致為2 MPa。

由圖4可知，在2-2煤層開(kāi)挖完以后，在中間煤柱處出現(xiàn)了很大的應(yīng)力集中，應(yīng)力集中系數(shù)約為16，在2-2工作面回填后，由于材料賦值較差，出現(xiàn)了應(yīng)力降低區(qū)甚至出現(xiàn)應(yīng)力為0的現(xiàn)象。在3-1煤層中間50 m范圍內(nèi)有較大的豎向應(yīng)力集中，由于模型對(duì)稱(chēng)可知巷道大約在內(nèi)錯(cuò)5 m時(shí)，豎向應(yīng)力大約為2倍原巖應(yīng)力,但是在內(nèi)錯(cuò)大于15 m時(shí)，可以看出3-1煤層的應(yīng)力變得很低。從巷道布置來(lái)說(shuō)，應(yīng)力越小開(kāi)挖時(shí)巷道穩(wěn)定性越強(qiáng)，支護(hù)成本越低，但是當(dāng)內(nèi)錯(cuò)距過(guò)大時(shí)，中間煤柱越大，浪費(fèi)越嚴(yán)重，所以,要綜合考慮各個(gè)因素，得出最佳錯(cuò)距值。

3-1煤層水平應(yīng)力和剪切應(yīng)力曲線圖分別見(jiàn)圖5和圖6。由圖5和圖6可以看，水平應(yīng)力和剪切應(yīng)力在距離中間煤柱中線25 m，即距離2-2煤柱水平距離15 m以后同樣應(yīng)力變得很低，圍巖穩(wěn)定性較好。

模型豎向應(yīng)力等值線局部放大圖見(jiàn)圖7。由圖7可以看出在煤柱中間會(huì)出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，在煤柱下側(cè)，應(yīng)力等值線呈傾斜分布，這正是應(yīng)力傳播角所導(dǎo)致的，而在3-1煤層同一橫坐標(biāo)處，隨著煤夾層粉砂巖的變厚，豎向應(yīng)力明顯減小，并且最大應(yīng)力集中系數(shù)也變?yōu)?2。

圖5 3-1煤層水平應(yīng)力曲線圖

圖6 3-1煤層剪切應(yīng)力曲線圖

圖7 模型豎向應(yīng)力等值線局部放大圖

綜上所述，選擇內(nèi)錯(cuò)5 m、7 m、9 m、11 m四種模型進(jìn)行接下來(lái)的模擬分析。

4 不同錯(cuò)距模擬結(jié)果及分析

在進(jìn)行具體巷道錯(cuò)距比較的時(shí)候，選取內(nèi)錯(cuò)距為5 m、7 m、9 m、11 m四種方案進(jìn)行模擬，主要研究回采巷道開(kāi)挖后巷道圍巖塑性區(qū)總面積和巷道圍巖豎向應(yīng)力分布情況。

4.1 不同錯(cuò)距巷道圍巖豎向應(yīng)力結(jié)果分析

由于需要更加清晰的定位局部應(yīng)力的大小范圍，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Tecplot，并添加了網(wǎng)格對(duì)各個(gè)煤層和巖體進(jìn)行清晰定位。模型內(nèi)錯(cuò)5 m、7 m、9 m、11 m時(shí)巷道圍巖豎向應(yīng)力等值線圖見(jiàn)圖8。

圖8 模型內(nèi)錯(cuò)5 m、7 m、9 m、11 m時(shí)巷道圍巖豎向應(yīng)力等值線圖

由圖8可以看出，當(dāng)巷道內(nèi)錯(cuò)5 m時(shí)，豎向應(yīng)力等值線在巷道處出現(xiàn)了彎曲，這是因?yàn)橄锏乐車(chē)霈F(xiàn)了一定的應(yīng)力增高區(qū)，大約為2～4 MPa；當(dāng)巷道內(nèi)錯(cuò)7 m時(shí)，豎向應(yīng)力等值線彎曲面積變小，部分出現(xiàn)應(yīng)力增高，但是數(shù)值變化不明顯；當(dāng)巷道內(nèi)錯(cuò)9 m時(shí)，豎向應(yīng)力基本恢復(fù)到原巖應(yīng)力，豎向應(yīng)力集中現(xiàn)象不太明顯；當(dāng)巷道內(nèi)錯(cuò)11 m時(shí)，變化不明顯，說(shuō)明再繼續(xù)增加內(nèi)錯(cuò)距已沒(méi)有意義且會(huì)增加煤資源浪費(fèi)。在綜合考慮到安全系數(shù)的基礎(chǔ)上，選擇內(nèi)錯(cuò)11 m較合理。

4.2 不同錯(cuò)距巷道圍巖塑性區(qū)結(jié)果分析

模型內(nèi)錯(cuò)5 m、7 m、9 m、11 m巷道圍巖塑性區(qū)圖分布如圖9所示。由圖9可知，在巷道開(kāi)挖以后，周?chē)牟糠謬鷰r會(huì)出現(xiàn)不同程度破壞。當(dāng)巷道內(nèi)錯(cuò)5 m時(shí)，由于巷道開(kāi)挖而使得圍巖出現(xiàn)的塑性區(qū)面積為30 m2，可以看出圍巖破壞面積較大，巷道不穩(wěn)定，支護(hù)難度大。當(dāng)巷道內(nèi)錯(cuò)7 m時(shí)，由于巷道開(kāi)挖而使得圍巖出現(xiàn)的塑性區(qū)面積為26 m2，可以看出圍巖破壞面積還是比較大，巷道仍然不穩(wěn)定，支護(hù)難度大。當(dāng)巷道內(nèi)錯(cuò)9 m時(shí)，由于巷道開(kāi)挖而使得圍巖出現(xiàn)的塑性區(qū)面積為20 m2，可以看出圍巖破壞面積減少較多，巷道穩(wěn)定性增高，但是塑性區(qū)仍然不合理，支護(hù)難度比較大。當(dāng)巷道內(nèi)錯(cuò)11 m時(shí)，由于巷道開(kāi)挖而使得圍巖出現(xiàn)的塑性區(qū)面積為15 m2，可以看出圍巖破壞面積趨于合理，巷道較穩(wěn)定，并且在巷道周?chē)鷩鷰r塑性區(qū)基本保持在2 m以內(nèi)，在工程實(shí)際中可以符合支護(hù)要求，錯(cuò)距較合理。

綜上所述，當(dāng)巷道內(nèi)錯(cuò)11 m，即3-1煤層中間煤柱42 m時(shí)較合理。

圖9 模型內(nèi)錯(cuò)5 m、7 m、9 m、11 m巷道圍巖塑性區(qū)圖

5 現(xiàn)場(chǎng)圍巖變形監(jiān)測(cè)

在以上數(shù)值模擬分析的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)3-1煤層的首采面2311工作面回采巷道的兩幫及頂?shù)装逡平窟M(jìn)行了監(jiān)測(cè)。

在3-1煤層的2311工作面回采巷巷內(nèi)布置2個(gè)測(cè)區(qū)，即每條回采巷道各布置一個(gè)測(cè)區(qū)，每個(gè)測(cè)區(qū)布置10個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)點(diǎn)間距為20 m，觀測(cè)區(qū)域的范圍為200 m，以此來(lái)監(jiān)測(cè)回采巷道兩幫及頂?shù)装逡平?，如圖10所示。巷道頂板移及兩幫移近量如圖11所示。

圖10 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖11 巷道頂板移及兩幫移近量平均值

由圖11可知，回采巷道頂?shù)装搴蛢蓭鸵平康淖兓厔?shì)基本相同；在工作面推進(jìn)至50 m時(shí)，變形量迅速增加；當(dāng)工作面推進(jìn)100 m左右時(shí)，變形量基本趨于穩(wěn)定；巷道頂?shù)装宓淖冃瘟考s為220 mm，兩幫變形量約為170 mm，該變形量在巷道允許變形范圍內(nèi)。

頂?shù)装宓淖冃瘟棵黠@高于兩幫變形量，主要原因是上煤層的應(yīng)力集中作用主要集中于垂向方向，因此在必要時(shí)可對(duì)頂板加強(qiáng)支護(hù)。

6 結(jié)論

通過(guò)分析2-2煤層(上煤層)開(kāi)采對(duì)3-1煤層(下煤層)的影響來(lái)判定3-1煤層巷道錯(cuò)距的取值范圍，然后對(duì)錯(cuò)距為5 m、7 m、9 m、11 m的四種模型的巷道布置做進(jìn)一步數(shù)值模擬分析，最終確定當(dāng)巷道內(nèi)錯(cuò)11 m，即3-1煤層中間煤柱42 m時(shí)較合理。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，在3-1煤層首采面進(jìn)行了回采巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平康谋O(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了該數(shù)值模型的可靠性。該數(shù)值建模及分析過(guò)程可為類(lèi)似情況下的工程實(shí)際提供參考。

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Simulationanalysisofstaggereddistanceoptimizationofminingroadwaysatlowerseamofultra-closedistancecoalseams

Wang Li1, Zhai Zhihua2

(1. Engineering and Technology Institute， Hulunbuir College, Hulunbuir, Inner Mongolia 021008, China; 2.Ordos Branch Company of Huiyong Holding Group Co., Ltd., Ordos, Inner Mongolia 017000, China)

Taking Selian No. 1 Mine in Ordos, Inner Mongolia as the engineering background, through using FLAC 3D numerical simulation software and analyzing the influence of upper 2-2 seam mining on lower 3-1 seam mining, the value range of staggered distance of 3-1 seam roadways was determined, and drift layout within the range of staggered distance was further simulated and analyzed. The authors built numerical models with four different staggered distance, 5 m, 7 m, 9 m or 11 m, and analyzed from the distribution law of stress and plastic zone. The results showed that when the staggered distance was 11 m or the width of middle coal pillar of 3-1 coal seam was 42 m, the roadway layout scheme was more reasonable, and the results were verified in the site.

close-distance coal seams, roadway staggered distance, layout optimization, numerical simulation

王麗，翟志華. 極近距離煤層群下煤層開(kāi)采巷道布置錯(cuò)距優(yōu)化模擬分析[J]. 中國(guó)煤炭，2017,43(12)：85-90.

Wang Li, Zhai Zhihua. Simulation analysis of staggered distance optimization of mining roadways at lower seam of ultra-close distance coal seams [J]. China Coal, 2017, 43(12):85-90.

TD821.2

A

王麗(1967-)，女，內(nèi)蒙古海拉爾人，副教授，高級(jí)工程師，主要從事采礦及礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)方面的教學(xué)與研究工作。

(責(zé)任編輯 郭東芝)