极近距离煤层下煤层回采巷道内错布置合理错距的研究

元永国

（辽源职业技术学院，吉林 辽源136201）

极近距离煤层开采时，由于层间距较小，上煤层的开采对下煤层开采影响严重，这种极近距离煤层在我国广泛分布［1－2］。由于上煤层的开采破坏了下部煤层顶板的完整性，且上部煤层回采后煤体边缘集中应力向底板传递［3］，使得下煤层回采巷道位置的布置成为一个难题。大量理论分析认为，下煤层的回采巷道内错布置在上煤层采空区下方的应力降低区内为好［4－7］，但下煤层回采巷道具体布置在什么位置需要根据实际的开采条件而定。本文根据某煤矿层间距为5.32m极近距离煤层实际地质条件，采用理论计算确定下煤层回采巷道的合理位置，运用数值模拟方法研究下煤层回采巷道布置在不同位置时的巷道受力情况，确定极近距离下煤层回采巷道内错布置的合理错距。

1 工作面地质条件

该煤矿极近距离煤层平均层间距为5.32m，上煤层平均厚度为1.12m，直接顶为K2灰岩，底板为泥岩、砂质泥岩，该煤层为稳定全区可采煤层；下煤层平均厚度为4.23m，煤层顶板为泥岩、砂质泥岩，底板为泥岩、砂质泥岩，该煤层为井田稳定可采煤层。

2 理论计算分析

内错式布置是指下部煤层回采巷道位于上部煤层采空区内，但在距上部煤层采空侧边缘一定范围内的应力仍高于原岩应力，对下煤层回采巷道的稳定有一定的影响。一般认为下煤层回采巷道应布置在采空区内的应力降低区。借鉴土力学中地基的计算方法和采场矿压理论［8］，建立极近距离煤层下回采巷道内错式布置合理错距计算模型（图1）。

图1 下煤层回采巷道内错距理论模型

图中Ⅰ区为主动应力区，∠CAB与∠CBA表达式及关系见式（1）。

式中：φ表示内摩擦角。

Ⅱ区为过渡区，CD是以B为原点的对数螺线，其方程见式（2）。

式中：r为以B为原点与r0成α角处的螺线半径；BC长度r0；r与r0夹角α。

Ⅲ区为被动应力区，∠DBE与∠DEB表达式及关系见式（3）。

BF长度为底板过渡区的边界长度，由图可知BF段底板应力下煤层回采巷道影响较大。鉴于此，内错式布置巷道应避开BF段。

根据上述模型，极近距离煤层开采下煤层回采巷道内错式布置合理错距见式（4）。

同样根据已有极限平衡区宽度x0，利用式（1）～（3）。可以得出求解BF段长度的方程组，见式（5）。解析解见式（6）。

则有式（7）。

取煤层内摩擦角φ为30°；内聚力Cm为2.3MPa，岩层移动角δ为50°；应力集中系数K为2；煤岩层面间的摩擦系数f为0.3；上覆岩层平均体积力γ25kN／m3；两煤层平均层间距为5.32m；煤层平均埋深H取值为300m；9号煤层采高m取1.12m。将各参数代入减压区布置错距理论公式（式（7））中得到以下结果。

故该矿极近距离煤层开采下煤层回采巷道内错式布置合理错距为大于6.31m。

3 数值模拟研究

3.1 数值模型

数值模拟采用FLAC3D，采用莫尔－库伦准则以某矿极近煤层具体开采条件为背景，建立数值模型。上煤层平均埋深300m，下煤层距上煤层5.32m，模拟煤岩层物理力学参数见表1。

模拟模型上煤层厚度、顶板厚度及底板厚度分别为1.12m、42.09m、31.49m、之和为74.7m；在工作面推进方向始末端各留30m实体煤，工作面推进长度为200m，则模型的长度为260m；模拟上煤层工作面长度为150m，由于对称性取工作面长度75m，在模型两端留30m煤柱，模型宽度为210m。约束模型四个侧面的水平位移，约束模型底部水平位移和垂直位移。模型上部加载的均布荷载，按岩层平均容重2.5MPa／100m及模拟埋深300m计算。

3.2 模拟过程

模型建好后，首先计算初始应力场至平衡，接着开挖上煤层工作面，计算平衡后，调取数据分析下煤层沿工作面长度方向顶板应力分布情况；再开挖下煤层工作面回采巷道，尺寸为宽×高＝4m×3.6m，并支护，计算平衡后，分析上煤层采空区下方下煤层回采巷道分别距上煤层煤体边缘水平距离5m、6m、8m、12m、15m时巷道的受力情况。

表1 煤岩层物理力学参数

3.3 模拟结果分析

3.3.1 上煤层回采后下煤层顶板应力分布规律

图2给出了上煤层回采后下部煤层顶板应力在工作面长度方向上的分布曲线。由图2可以看出：上煤层回采后在煤体侧或煤柱正下方底板煤岩层中形成了应力升高区，且随着远离上部煤层垂直应力逐渐降低，直至恢复到原岩应力。而在采空侧距上部煤体边缘2m以外内形成了应力降低区，在距采空侧距上部煤体边缘6～15m范围内垂直应力变化不大，比较稳定；水平应力在采空侧先升高后降低，在采空侧距上部煤体边缘15m以外水平应力变化平缓逐渐恢复到原岩应力。

图2 上煤层回采后下煤层顶板沿应力分布曲线

图3 距煤体边缘不同距离时巷道两帮腰线处受力分布曲线

3.3.2 下煤层回采巷道距煤体边缘不同距离时巷分析道受力

图3给出了距煤体边缘不同距离时巷道两帮腰线处距巷道中心线20m范围内的受力分布曲线，由图3可知：巷道在距煤体边缘5m处巷道两帮腰线处的垂直应力峰值不同，水平应力分布一样，巷道受力不平衡，可能导致巷道支护困难，而巷道布置在6m及6m以外的地方，巷道受力基本相同，与距煤体边缘的距离远近关系不大。

4 结 论

1）借鉴土力学中地基的计算方法和采场矿压理论，建立极近距离煤层下回采巷道内错式布置合理错距计算模型，计算得该矿极近距离煤层开采下煤层回采巷道内错式布置合理错距为大于6.31m。

2）数值计算结果分析可知，该矿极近距离煤层上煤层回采后，下煤层巷道在距煤体边缘5m处巷道两帮腰线处的垂直应力峰值不同，水平应力分布一样，巷道受力不平衡，可能导致巷道支护困难，而巷道布置在6m及6m以外的地方，巷道受力基本相同，与距煤体边缘的距离远近关系不大，下煤层回采巷道内错式布置合理错距为大于等于6m。

［1］李义宝，康天合，柴肇云，等.水平应力对极近距离煤层回采巷道的影响分析［J］.矿业研究与开发，2010，30（4）：3－4.

［2］王月星.极近距离煤层同采合理错距研究［J］.煤矿开采，2011，16（1）：38－40.

［3］严国超，胡耀青，宋选民，等.极近距离薄煤层群联合开采常规错距理论与物理模拟［J］.岩石力学与工程学报，2009，28（3）：591－597.

［4］张学斌.近距离煤层群采动后底板应力分布及回采巷道布置方式研究［D］.青岛：山东科技大学，2009.

［5］雷引民.近距离难采煤层巷道布置的形式［J］.西山科技，2002（S1）：96－99.

［6］张百胜，杨双锁，康立勋，等.极近距离煤层回采巷道合理位置确定方法探讨［J］.岩石力学与工程学报，2008，27（1）：97－101.

［7］张百胜.极近距离煤层开采围岩控制理论及技术研究［D］.太原：太原理工大学，2008.

［8］杨伟，刘长友，杨宇.层间应力影响下近距离煤层工作面合理错距留设问题研究［J］.岩石力学与工程学报，2012，31（S1）：2965－2972.