近距離煤層內(nèi)錯式開切眼合理錯距的研究

李琛， 華心祝*， 常貫峰， 孫兵軍， 楊森， 王恩乾

(1.安徽理工大學礦業(yè)工程學院， 淮南 232001； 2.山東科技大學土木建筑學院， 青島 266580)

隨著煤炭開采強度的增大，礦山壓力的顯現(xiàn)愈加明顯，在近距離煤層開采活動中，上方煤層因開采過程產(chǎn)生的附加應力始終影響著下方回采巷道的布置。上部煤層開采后會對下部煤層在空間距離上產(chǎn)生不同程度的影響[1]。停采線煤柱留設過短，會對巷道穩(wěn)定性造成影響，在開切眼的過程中，煤巷有產(chǎn)生片幫可能性，留設過長則會造成資源的損失，不利于煤炭安全高效回采[2-3]。因此，合理停采線位置的選取，是當前亟待解決的問題。

針對近距離煤層開切眼的選取問題，中外學者進行了大量的研究。張國軍等[4]對木瓜礦上煤層開采后的底板破壞深度及支承壓力影響范圍進行了計算，并利用數(shù)值計算軟件模擬了上煤層開采對下煤層的影響狀況，通過對比分析最終確定了下煤層開切眼的合理布置位置。高士崗[5]和岳喜占等[6]通過多種數(shù)值模擬軟件對采空區(qū)下開切眼掘進過程圍巖及支護結構受力和變形情況進行模擬計算，同時對支護工藝及相關參數(shù)進行優(yōu)化，通過現(xiàn)場圍巖變形實測驗證支護方案的可行性并成功應用。王寅等[7]為解決上煤層工作面推進至下煤層采空區(qū)開切眼附近底板下沉風險的問題，通過現(xiàn)場工程驗證，采用理論分析和相似模擬方法，研究上行式開采重復采動下頂?shù)装褰Y構形態(tài)，得到覆巖破斷機制，提出了針對性的防治措施[8]，保證了工作面的安全回采。汪北方[9]和張進鵬等[10]通過構建極近距離厚煤層綜放工作面采空區(qū)頂板力學結構模型，揭示了極近距離厚煤層綜放工作面開采房式采空區(qū)頂板破斷失穩(wěn)規(guī)律，并進行工程現(xiàn)場驗證，基于此提出了加強支架初撐力、提高推進速度等有效防控措施[11]，較好地保障了工作面安全、高效回采。戴文祥等[12]研究了上覆煤柱集中應力在底板的傳遞特征，并得出在底板不同深度處，距離煤柱均布載荷越遠，應力的分布范圍越大，但影響程度越小的結論?？椎轮衃13]和楊繼元等[14]針對近距離煤層群重復采動下端面冒頂這一難題，通過多種研究手段得出重復采動造成下位頂板裂隙比較發(fā)育，進而使得端面頂板失穩(wěn)，且會出現(xiàn)不同程度的頂板來壓現(xiàn)象，頻繁來壓易造成端面冒頂?；诖颂岢鲰敯宄凹庸痰姆乐螌Σ摺O兵軍等[15]以劉莊煤礦120502切眼工作面為工程研究背景，采用數(shù)值計算軟件對開切眼過程中應力分布規(guī)律進行探究,提出了對上覆采空區(qū)進行超前注漿處理與切眼斷面加強支護的圍巖控制對策，對解決近距離煤層下行開采采空區(qū)下開切眼圍巖控制有一定的借鑒作用[16]。

上述研究成果，多針對停采線結構及煤層應力分布規(guī)律進行研究，鮮有研究分析不同距離下上覆煤層開采對下覆煤層開切眼的影響，缺乏對下煤層開切眼位置選取的整體性研究[17]?，F(xiàn)以神東礦區(qū)某礦為工程研究背景，構建平面力學模型，通過數(shù)值模擬，分別探究距上覆煤層在不同水平錯距下42煤層開切眼巷道的圍巖應力環(huán)境，并結合現(xiàn)場地測雷達的實際觀測驗證，得到合理的停采線距離，使得42煤層開切眼可以安全使用。

1 工程概況

22206綜采工作面布置于22煤二盤區(qū)，主采22煤，平均采厚4.6 m。平均埋深330 m，42202綜放工作面布置于42煤二盤區(qū)，位于22煤下方66 m處，主采42煤，平均采厚6.3 m，平均埋深396 m，42煤和22煤的傾角1～3°，為近水平煤層。42上煤開切眼沿底板掘進，切眼為矩形斷面，長×寬為5 m×3 m。根據(jù)地質資料鉆孔得到42煤與22煤的煤巖層頂?shù)装辶W參數(shù)，如表1所示。

22煤開采后，在底板中形成采動應力，22煤停采線預留保護煤柱的附加應力將對42煤開切眼造成影響，研究42煤開切眼與22煤停采線空間位置關系及不同條件下的應力分布規(guī)律，有助于42煤開切眼位置布置的選取。22煤與42煤位置關系如圖1所示。

表1 煤層頂?shù)装鍘r石力學參數(shù)Table 1 Rock mechanics parameters of roof and floor of coal seam

圖1 煤層位置關系圖Fig.1 Coal seam position diagram

2 下煤層開切眼位置的研究

2.1 理論分析

設半平面體在其邊界的AO段上受有分布力，它在各點的力等效為均布載荷q，為求出半平面體內(nèi)某一點M處的應力，取坐標原點為O，設M點的坐標為(x0，y0)，對M點進項受力分析，計算模型如圖2所示。

圖2 力學計算模型Fig.2 Mechanical calculation model

則M點集中力的鉛直和水平距離分別為x0和y0，因此在M點引起的應力為

(1)

式(1)中：q為分布應力；σx為沿x方向正應力；σ為沿y方向正應力；τxy為沿y方向切應力。

為了計算全部分布應力在M點引起的應力，將微小的集中應力進行疊加即可得

(2)

式(2)中：a為塑性區(qū)半徑[3]。

(3)

式(3)中：M為煤層厚度；f為測壓系數(shù)；φ為煤層內(nèi)摩擦角；K為應力集中系數(shù)；γ為容重；τ0cotφ為煤體自撐力。根據(jù)鉆孔資料及煤巖層力學參數(shù)，取巖層平均容重γ為25 kN/m3，按22煤煤層埋深330 m，42煤煤層埋深396 m計算，并選取式(2)中的應力分量σx作為拉應力，σy作為垂直應力進行分析22煤遺留煤層對42煤開切眼的影響。得到如圖3所示的結果。

圖3 應力曲線圖Fig.3 Stress curve

從圖3可以看出，開切眼距22煤水平錯距為40 m時，σx為0.47 MPa，大于42煤煤層抗拉強度，σy的附加應力處于應力峰值位置，且切眼巷道的底角受到水平方向的拉應力較大，故在40 m處開切眼巷道處在較大的應力環(huán)境中，因此在此處布置切眼不合理。在距離停采線45 m時，σx為0.42 MPa，略小于42煤煤層抗拉強度，σx大于0.25 MPa，處在較高的垂直應力下，因此在距離45 m處布置開切眼也不合理。在距離停采線50 m距離下，σx為0.35 MPa，小于42煤煤層抗拉強度，σy小于0.25 MPa，沒有產(chǎn)生明顯的應力集中現(xiàn)象，因此，50 m水平錯距可以作為42煤的開切眼。在此后的55 m、60 m距離下，σx、σy依次逐步減小，受上覆煤層開采的影響逐漸減弱，均可作為開切眼位置。但考慮到保護煤柱的留設，減少煤炭資源浪費等問題，開切眼的位置布置在距22煤停采線水平錯距50 m處較為合理。

2.2 數(shù)值模擬

為進一步確定切眼布置的合理距離，根據(jù)煤巖層地質參數(shù)建立FLAC3D數(shù)值計算模型。模型長、高均為130 m。42煤切眼巷道為矩形斷面，巷道斷面尺寸分別為：寬度×高度=5 m×3 m。22煤工作面模擬沿走向方向開采距離105 m，42煤開切眼距22煤停采線分別模擬40、45、50、55、60 m 5種情況，42煤距22煤停采線法向距離為66 m，如圖4所示。

根據(jù)數(shù)值計算模型，分別模擬42煤距22煤40、45、50、55、60 m的5種不同水平錯距條件下42煤開切眼巷道的垂直應力分布情況，結果如圖5所示。

圖5 不同水平錯距下切眼垂直應力分布Fig.5 Vertical stress distribution at different horizontal offsets

由圖5可知，開切眼距22煤水平錯距40 m時，受22煤煤體開采的影響，42煤切眼巷道的左幫產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，垂直應力約為12 MPa；距離45 m時，巷道左幫依然受其影響，但受影響范圍減??；距離50 m時，巷道左幫的垂直應力減小到9 MPa左右，低于原巖應力；此后55 m、60 m距離下巷道所受應力均小于原巖應力。因此，為避開22煤開采的影響，42煤開切眼巷道距22煤停采線的水平錯距為50 m時較為合理，與理論計算結果較為吻合。

在數(shù)值模擬過程中通對5種不同水平錯距切眼巷道左幫的垂直應力進行監(jiān)測，得到如圖6所示的巷道垂直應力分布曲線，圖6中水平距離表示數(shù)值計算模型的x方向，即從22煤停采線(25 m處)算起；豎直方向表示測幫所受的垂直應力；側向分別表示5種不同距停采線距離的切眼巷道。

從圖6中可以看出，42煤開切眼巷道在距離22煤停采線40 m時，巷道幫部所受的應力最大為12.8 MPa；45 m時最大應力為10.2 MPa，均大于原巖應力，在距離為50 m時，巷道幫部受到的最大應力為9.6 MPa，此距離下的應力近似于原巖應力，而在此后的55 m和60 m距離下所受到的最大應力分別為9 MPa和8 MPa，均小于原巖應力。因此，42煤開切眼巷道的布置位置距22煤停采線水平錯距50 m時較為合理，既有利于巷道的維護，又可減少保護煤柱的留設，益于42煤的安全開采。

圖6 巷道垂直應力分布曲線Fig.6 Vertical stress distribution curve of roadway

3 工程實踐

3.1 巷道松動圈監(jiān)測

為探究42煤開切眼巷道圍巖裂隙發(fā)育情況及松動圈范圍，選擇開切眼巷道合理的位置進行測試，考慮到煤巖層的破碎情況及現(xiàn)場的施工條件，選取42煤煤層開切眼距離機巷50 m及100 m位置處，如圖5中A、B兩測試點，采用LTD-2100型探地雷達對切眼巷道的幫部和頂板進行掃描測試，進而得出松動圈厚度[18]。具體測試位置如圖7中的A、B點所示。

圖7 測試位置圖Fig.7 Test location diagram

3.2 監(jiān)測結果與分析

如圖8所示，由A測試點掃描的巷道斷面結果來看，巷道左幫松動圈厚度為3.8 m，頂板為3.0 m，幫部松動圈范圍比頂部大0.4 m，破碎更為嚴重。

圖8 A測試點巷道松動圈厚度Fig.8 A test point roadway loose circle thickness

如圖9所示，由B測試點掃描的巷道斷面來看，左幫松動圈厚度為3.3 m，頂板為3.1 m，相比于頂板，左幫松動圈邊界范圍大0.2 m。依然是左幫比頂板破碎范圍大。

圖9 B測試點巷道松動圈厚度Fig.9 B test point roadway loose circle thickness

通過A、B兩處的測試結果得到：42煤層開切眼巷道松動圈范圍在3.1～3.8 m，呈不規(guī)則分布，且不同位置處左幫的破碎范圍均大于頂板，切眼巷道整體性較好，巷道裂隙發(fā)育程度較低，沒有大面積的水平貫穿與縱向發(fā)育的裂隙，后期可通過一定的支護對巷道圍巖進行有效控制。

4 結論

(1)通過建立力學分析模型，得到了受分析點的應力分量，并基于煤體穩(wěn)定性判據(jù)，針對42煤開切眼距22煤停采線水平錯距構建的理論解析解進行數(shù)學分析，確定了開切眼合理位置為50 m。

(2)采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，分析了22煤遺留煤層距42煤層開切眼不同位置影響范圍，得到水平錯距分別為40 m、45 m時，切眼左幫會產(chǎn)生應力集中，煤體存在偏幫的潛在因素，不宜布置開切眼巷道，而在50 m及以后，巷道所受的應力集中現(xiàn)象逐步消除，但考慮到煤炭的采出率，切眼合理位置為距22煤停采線距離為50 m。

(3)從切眼巷道采用探地雷達進行現(xiàn)場實際測試結果來看，42煤切眼巷道兩處觀測點的塑性圈范圍為3.1～3.8 m，選取50 m錯距布置切眼較為合理，避開上覆遺留煤層產(chǎn)生的集中應力影響的同時減小了下工作面停采線的距離，有利于實現(xiàn)42煤的安全回采。