上覆及侧向采空条件下近距离煤层沿空巷道布置研究

杨 军，于世波

(1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083；2.中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083；3.北京矿冶研究总院矿山工程研究设计所，北京 100070)

近年来，随着煤炭需求量的增加，以及煤炭资源的大量开采，地质条件复杂、开采难度较大的近距离煤层开采已成为必然。我国近距离煤层赋存和开采所占的比重很大，许多煤矿和大多矿区都存在近距离煤层开采的问题[1-2]，大量的近距离煤层的开采引起许多急需解决的重要工程技术难题。其中，相邻多工作面开采下的沿空巷道的围岩稳定性控制是一个亟待解决的问题。国内外专家分别从沿空巷道布置方式[3-9]、近距离煤层的破坏现象[10-11]、沿空巷道控制对策[12]等方面进行了研究。

本文针对南屯煤矿93下05工作面上覆及侧向采空条件下的特殊情况，采用数值模拟的方法，研究相近多工作面开采后近距离煤层沿空巷道的布置问题。

1 93下05工作面工程地质条件

1.1 地层岩性

南屯煤矿含煤地层均为上石炭统太原组和下二叠统山西组，其中九采区内的含煤可采煤层为二叠系山西组3上层煤和3下层煤，3上A层煤。其中，3上A层煤为局部可采，而3上层煤已基本采完，现主要开采3下煤层。

1.2 地质构造

93下05综采工作面为一单斜构造，煤层走向北西-南东向；煤层平均倾角为13°，工作面标高-399.4～-530m。据相邻工作面巷道及揭露资料显示，该工作面地质构造复杂，在掘进过程中预计将揭露22条断层，其中3F209断层(H=2.0m左右)断层落差较大，将给正常掘进造成一定的影响。

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(图1)，左侧为原9307工作面(已于2003年11月停采)，工作面右上方为93上03工作面(已于2008年03月停采)。间隔夹矸厚度在2.32～6.19m之间，平均为4.6m，是典型的近距离煤层，并且93下05工作面处于上覆93上05采空区及侧向93下07采空区多工作面采动后的作用下，并在回采期间还将受到本工作面回采的剧烈影响。以下结合本工作面的具体工程地质条件，采用数值模拟的方法研究上覆及侧向采空形成的多工作面动压叠加下93下05工作面沿空巷道的合理位置。

图1 93下05工作面位置示意图

2 多工作面开采动压叠加分布规律

2.1 回采顺序及模型建立

回采的先后顺序为：9307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。

工程地质模型在ANSYS软件中生成，通过相关的接口程序将模型导入FALC3D中。本次研究的模型计算范围为长×宽×高=570m×300m×120m，共划分185300个单元，193902个节点，工程地质模型如图2所示。该模型侧面限制水平移动，底部固定，模型上表面为应力边界，施加的荷载为12.5MPa，模拟上覆岩体的自重应力。材料破坏符合Mohr-Coulomb强度准则。

图2 工程地质模型

工作面推进速度根据现场实际情况确定推进步距为6.0m，工作面侧模拟锚杆的cable单元随着工作面的推进逐步拆除。为了模拟综采全过程，将采空区冒落的矸石考虑为一种松散介质。工作面每推进6.0m、运算每500时步记录一次计算结果。由于工作面的不断推进，采空区和垮落区始终处于运动和变化之中，致使计算过程中需要不断变换垮落区材料单元的力学参数和垮落区域。

2.2 侧向工作面开采后应力分布规律

通过图3可以看出，侧向9307工作面回采后，底板岩层中形成四个矿压显现区，分别为应力增高区、应力降低区、影响微弱区、原岩应力区，其矿压显现规律跟普通单侧开采的矿压显现规律类似。由于岩层为倾斜岩层，单侧开采后，在煤岩体侧形成侧向支承压力峰值区域；峰值应力向底板深处传播和衰减，传播方向与垂直方向成20°夹角。

图3 9307工作面开采后侧向垂直应力分布

2.3 上覆工作面开采后底板叠加应力分布规律

9307工作面与93上05工作面之间留有5m的区段煤柱。93上05工作面开采后，在煤柱附近应力场产生叠加，最大垂直应力为41.0MPa，侧向压力集中系数达到3.28，侧向支承压力较大，对于后期3下煤层开采时沿空巷道的维护带来困难。由图4可以看出，近距离煤层9307与93上05之间的区段煤柱叠加应力通过煤柱在底板中传播不是沿着煤柱方向，也不是沿着垂直于煤层底板方向，而是沿着与煤柱方向呈一定夹角的方向传播，与煤柱中心线角度为5°，偏93下05工作面方向。而且应力等值线并不是沿着传播方向两边对称。底板中的叠加应力以煤柱向底板传递，在底板中呈现“泡形”扩散分布。

2.4 93上03工作面开采对沿空巷道附近应力分布规律影响分析

通过图5可以看出，93上03工作面回采后，93下05工作面沿空侧侧向支承集中系数为3.27，略小于93上05工作面回采后的侧向压力集中系数3.28。因此93下05工作面沿空侧附近的应力分布规律受93上03工作面开采的影响甚微，从叠加应力分析方面，不足以影响93下05工作面沿空巷道布置位置。

3 沿空巷道位置布置优化分析

通过以上分析，可以得出图6所示的3下煤底板最终垂直应力分布图。

1)9307工作面开采后侧向应力集中系数达到2.1，峰值位置位于离9307采空区煤壁9.1m处。

2)93上05及93上03工作面开采后沿空巷道附近3下煤底板的垂直应力集中系数达到2.6，出现在离9307采空区煤壁2.9m处，应力峰值位置由距9307采空区煤壁9.1m处转移到距9307采空区煤壁2.9m处，主要原因是受到侧向9307采空区及上覆93上05采空区之间区段煤柱的影响，且由于多工作面开采引起的应力增高区域达到19.6m。

3)根据以上分析并结合兖州矿区沿空巷道的位置选择经验，将沿空巷道留设在距9307采空区下帮侧煤壁6～10m的范围，此范围避开了应力的峰值区域，并且此种煤柱留设方式煤柱损失较小，满足煤柱煤体不发生采空区漏风、诱发自燃的要求。现场采用6m的煤柱，巷道采用锚网+工字钢支护，经过掘进及回采期间的检验，能够满足巷道的稳定性要求。

图4 93上05工作面开采后垂直应力分布

图5 93上03工作面开采后沿空侧3下煤底板垂直应力分布

图6 3下煤底板最终垂直应力分布

4 结论

本文针对南屯煤矿上覆及侧向均采空的复杂条件下沿空巷道的位置布置问题采用数值模拟的方法进行了研究，得到以下结论。

1)侧向工作面开采后的应力分布规律与普通单一工作面开采后的应力分布规律一致。

2)上覆工作面回采后，底板中的应力传播方向发生急转，应力传播向93下05工作面方向发展，应力集中程度进一步提高。

3)在分析多工作面开采后叠加应力分布特征的基础上，确定了93下05工作面沿空巷道的留设煤柱尺寸为6～10m。

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