深井大采高近距離煤層蹬空開采合理護(hù)巷煤柱尺寸留設(shè)研究

摘要：針對(duì)深井大采高近距離煤層蹬空開采條件下工作面開采時(shí)留設(shè)不同尺寸護(hù)巷煤柱時(shí)底板應(yīng)力傳遞規(guī)律以及對(duì)底板大巷的影響問題，本文以丁集煤礦1282（3）工作面為工程背景，采用FLAC3D數(shù)值模擬的方法對(duì)此問題進(jìn)行研究。模擬得出當(dāng)留設(shè)240m護(hù)巷煤柱時(shí)，大巷左幫的垂直應(yīng)力開始增加;當(dāng)留設(shè)180m護(hù)巷煤柱時(shí)，采動(dòng)側(cè)巷幫的塑性區(qū)由3.2m逐漸發(fā)展至5.3m，底板塑性區(qū)由3.6m發(fā)展至6.2m?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得出當(dāng)工作面距大巷179m左右時(shí)，頂?shù)装寮皟蓭鸵平俾曙@著增加，開始對(duì)大巷產(chǎn)生影響，與數(shù)值模擬結(jié)果基本相符。本研究對(duì)類似礦井工作面開采和巷道支護(hù)設(shè)計(jì)具有重要的理論意義和工程借鑒意義。

關(guān)鍵詞：蹬空開采;護(hù)巷煤柱;底板應(yīng)力;塑性區(qū)

中圖分類號(hào)：TD322 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1引言

煤礦進(jìn)入深部開采以后，巷道處于高地應(yīng)力、高地溫、高滲透壓以及強(qiáng)時(shí)間效應(yīng)的復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中支護(hù)困難變形嚴(yán)重[1-3]。同時(shí)，我國煤層賦存條件復(fù)雜，往往需要在采空區(qū)上方進(jìn)行采掘活動(dòng)，即蹬空開采。

近年來我國學(xué)者對(duì)煤礦開采時(shí)底板應(yīng)力的傳遞特征及底板大巷變形特征做了大量的研究工作。孟祥瑞等[4]，建立了底板任意一點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算的彈性力學(xué)模型，結(jié)合莫爾-庫倫準(zhǔn)則給出了底板巖體破壞的判據(jù);王連國、張華磊[5-7]等推導(dǎo)出底板垂直應(yīng)力的迭代計(jì)算式，得出底板各巖層垂直應(yīng)力等值線呈橢圓形，淺部巖層等值線梯度較大，深部巖層等值線梯度較小的結(jié)論;張學(xué)臣[8]等指出在底板巷道受到采動(dòng)影響時(shí)，巷道的頂?shù)装逦灰埔∮趦蓭偷奈灰?杭濤[9]提出采動(dòng)引起底板巷道垂直應(yīng)力變化幅度大，是導(dǎo)致巷道破壞變形的主要因素。但是，對(duì)深井大采高近距離煤層蹬空開采這一綜合因素影響下底板應(yīng)力傳遞規(guī)律及底板巷道破壞特征研究不足。

本文以丁集煤礦1282（3）蹬空開采工作面為工程背景，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)深井大采高近距離煤層蹬空開采這一綜合因素影響下底板應(yīng)力傳遞規(guī)律及底板巷道破壞特征進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)出控制底板大巷變形的合理護(hù)巷煤柱尺寸，并通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析，對(duì)模擬結(jié)果的可靠性及合理性進(jìn)行驗(yàn)證。

2工程概況

1282（3）工作面為蹬空開采，開采13-1煤，煤層底板標(biāo)高-790～-825m，工作面面長185m，整體煤巖層傾角0～10°，平均3°，煤層平均厚度4.1m，工作面?zhèn)雾敒槟鄮r，厚度0～1.2m，直接頂為1.1～7.5m的泥巖，老頂為8～17.7m的砂質(zhì)泥巖;直接底為0.3～1.6m的泥巖，老底為3～7.3m的砂質(zhì)泥巖。下部為已采1422（1）工作面，1422（1）工作面開采11-2煤，煤層平均煤厚2.5m，煤層傾角0～6°，平均2°，直接頂、直接底均為砂質(zhì)泥巖或泥巖。1282（3）工作面收作位置距西一13-1軌道大巷水平距離平均198m，垂直距離66m左右，故驗(yàn)選取西一13-1采區(qū)軌道大巷為研究對(duì)象。巷道布置及相互位置關(guān)系如圖1所示。

3數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型的建立

以1282（3）工作面的采掘工程情況為背景，采用FLAC3D軟件建立數(shù)值計(jì)算模型。模型尺寸x×y×z=480m×300m×200m，采用摩爾-庫侖計(jì)算準(zhǔn)則，模型煤巖物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。在模型初始平衡后，先開挖1422（1）工作面，并按實(shí)際留設(shè)煤柱，再分步開挖13-1煤。

3.2 1282（3）工作面開采不同尺寸護(hù)巷煤柱對(duì)大巷影響

（1）護(hù)巷煤柱留設(shè)方案

護(hù)巷煤柱留設(shè)尺寸分別選擇300m、240m、180m、150m、120m、90m和60m。

（2）模擬結(jié)果分析

大巷開挖以后，水平應(yīng)力在底板出現(xiàn)集中現(xiàn)象，1422（1）工作面開采以后，其有所減小;1282（3）工作面開采時(shí)，當(dāng)留設(shè)的護(hù)巷煤柱尺寸大于300m時(shí)，底板的水平應(yīng)力略有升高，隨著護(hù)巷煤柱尺寸的減小，底板的水平應(yīng)力開始減小;在護(hù)巷煤柱尺寸為150m時(shí)，底板的水平應(yīng)力又出現(xiàn)增加的趨勢(shì)，當(dāng)護(hù)巷煤柱尺寸為90m時(shí)，工作面對(duì)應(yīng)段的大巷底板水平應(yīng)力開始減小，工作面附近側(cè)面煤柱對(duì)應(yīng)段的大巷底板水平應(yīng)力繼續(xù)增加。

大巷開挖以后，其頂?shù)缀蛢蓭偷乃苄詤^(qū)為2.5m左右，隨著1422（1）和1282（3）工作面開采，巷道的塑性區(qū)范圍逐漸增大;1282（3）工作面開采過程中，當(dāng)留設(shè)的護(hù)巷煤柱尺寸大于180m時(shí)為宜，塑性區(qū)變化不大;當(dāng)留設(shè)180m護(hù)巷煤柱時(shí)，巷道塑性區(qū)范圍開始增大，具體表現(xiàn)在采動(dòng)側(cè)巷幫的塑性區(qū)由3.2m逐漸發(fā)展至5.3m，底板塑性區(qū)由3.6m發(fā)展至6.2m，巷道右?guī)秃晚敯宓乃苄詤^(qū)范圍保持在3.2～3.5m。

3.3合理方案確定

由模擬結(jié)果綜合分析得出當(dāng)留設(shè)180m護(hù)巷煤柱時(shí)，大巷開始受到采動(dòng)影響，巷道變形主要受其圍巖應(yīng)力影響，再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的巷道變形對(duì)圍巖應(yīng)力變化和采動(dòng)影響的敏感程度，確定1282（3）工作面開采時(shí)留設(shè)180m護(hù)巷煤柱。

由圖4～圖5可以看出當(dāng)工作面推到距離大巷179m左右時(shí)開始對(duì)大巷產(chǎn)生影響，且由于4#和5#測(cè)點(diǎn)離工作面相對(duì)較近其變形速率要遠(yuǎn)大于其他幾個(gè)測(cè)點(diǎn)。

5結(jié)論

（1）通過數(shù)值模擬研究丁集煤礦1422（1）工作面開挖對(duì)西一13-1采區(qū)軌道大巷應(yīng)力狀態(tài)及塑性區(qū)發(fā)育的影響，得出開挖停采線距離大巷的水平距離為198m時(shí)，1422（1）工作面開采對(duì)西一13-1軌道大巷基本不產(chǎn)生影響。

（2）通過數(shù)值模擬研究在深井大采高近距離煤層蹬空開采這一綜合因素影響下1282（3）工作面開挖對(duì)巷道圍巖應(yīng)力及變形的影響規(guī)律，得出當(dāng)留設(shè)240m護(hù)巷煤柱時(shí)，大巷左幫的垂直應(yīng)力開始增加;當(dāng)留設(shè)的護(hù)巷煤柱尺寸大于180m時(shí)，塑性區(qū)變化不大;當(dāng)留設(shè)180m護(hù)巷煤柱時(shí)，采動(dòng)側(cè)巷幫的塑性區(qū)由3.2m逐漸發(fā)展至5.3m，底板塑性區(qū)由3.6m發(fā)展至6.2m，巷道右?guī)秃晚敯宓乃苄詤^(qū)范圍保持在3.2～3.5m。

（3）由模擬結(jié)果再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的巷道變形對(duì)圍巖應(yīng)力變化和采動(dòng)影響的敏感程度，確定1282（3）工作面開采時(shí)留設(shè)180m護(hù)巷煤柱為宜。

（4）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得出當(dāng)工作面推到距離大巷179m左右時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的頂?shù)装寮皟蓭鸵平俾曙@著增加，開始對(duì)大巷產(chǎn)生影響，與數(shù)值模擬結(jié)果基本相符。

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作者簡(jiǎn)介：周敏，男，漢族，1985年9月生，安徽和縣人，安徽理工大學(xué)工程碩士，淮滬煤電丁集煤礦工程師。

（作者單位：淮滬煤電丁集煤礦）