钱家营矿工作面巷道布置模拟研究

王志强，郭 磊，刘宏军，邢瑞军，苏 越

(中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京 100083)

开采技术与装备

钱家营矿工作面巷道布置模拟研究

王志强，郭 磊，刘宏军，邢瑞军，苏 越

(中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京 100083)

采用理论分析、数值模拟和相似模拟方法对传统留煤柱巷道布置和错层位巷道布置进行研究。首先确定传统巷道布置的煤柱宽度，并进行合理性验证，以及错层位巷道采用外切式布置；其次根据钱家营煤矿实际地质条件，模拟研究不同宽度煤柱在煤体开挖后的围岩应力和变形破坏，得出了12-1煤层区段煤柱的合理宽度为6m，弹性核宽度为3.2m，与错层位巷道布置进行对比，最后采用相似实验模拟研究2种巷道布置上覆岩移状态，为12-1煤层后续开采巷道布置提供依据。

煤柱；错层位布置；合理尺寸；弹性核

综采工作面区段平巷布置有单巷布置和双巷布置2种[1],留设区段煤柱一直是传统的护巷方法，其方法是在上区段运输平巷和辖区段回风平巷之间留设一定宽度的煤柱，使下区段平巷避开支撑应力峰值区[2]。区段煤柱的作用一方面是隔离采空区，另一方面是保证下区段巷道的稳定性。煤柱的合理宽度不仅关系到回采巷道的支护效果，而且影响煤矿的安全生产及经济效益。煤柱过窄，虽然能减少煤炭损失，但煤柱容易失稳，不仅给巷道维护造成困难而且容易造成采空区漏风；煤柱过宽，不仅导致煤炭资源的浪费，而且难以保证巷道处在支承应力卸压带范围内[3]。

随着煤层开采厚度的增加，煤柱留设宽度也相应增加，使得区段煤炭采出率长期处于较低的水平[4]。针对此类问题，赵景礼[5-8]等人提出了厚煤层错层位巷道布置方法，并深入研究了错层位巷道布置工作面的矿压分布规律，提出提高综合煤炭采出率的措施。刘朝辉[9]提出了在中厚煤层中采用错层位巷道布置，并深入研究了错层位巷道布置工作面“三段式”回采工艺、采出率等参数。王志强等人[10-11]深入研究了错层位巷道布置下工作面上覆关键层的运动规律，丰富了错层位巷道矿压分布规律的研究。

本文以开滦钱家营矿为例，通过在中厚煤层中进行错层位巷道布置，然后对比传统留煤柱巷道布置，为钱家营矿2021E工作面巷道布置优化提供依据。

1 工作面概况

钱家营矿2021E工作面位于二水平十采区东翼12-1煤层，开采深度为-571.9～-631.7m，回采煤层厚度1.4～4.0m，平均煤厚2.6m；密度1.35kg/m3，煤层倾角3～18°，平均6°，工作面煤层平均走向长732.3m，倾斜长平均189.8m。工作面局部煤层伪顶较为发育，厚度0～0.3m。2021E工作面同煤层倾斜上方1327东已采毕，倾斜下方暂未设计工程；工作面上覆9煤层1397东、2091东已采毕，上覆8煤层无工程，上覆7煤层1378东、1377东已采毕，上覆5煤层1357东、1358东已采毕。

煤层直接顶为炭质泥岩，厚2.0m；基本顶为粉砂岩，厚13.7m，内含少量泥岩；直接底为粉细砂岩，厚3.2 m；老底为中砂岩，厚7m。煤层顶底板均属中等稳定岩层。

2 工作面巷道布置

2.1 理论计算

2.1.1 传统巷道布置下煤柱宽度的确定

根据文献[2]，煤柱的承载能力与煤柱的力学性质和煤柱几何尺寸有关，保持煤柱稳定的条件是在煤柱中央存在一定宽度弹性核，弹性核的宽度应不小于煤柱高度2倍，其模型如图1所示。

图1 煤柱的弹塑性变形区及应力分布

回采空间和采准巷道两侧所形成的塑性区的宽度分别为x0和x1。计算公式为

B=x0+2m+x1

(1)

式中，B为煤柱宽度，m；m为煤层开采厚度，m；x0为回采空间在护巷煤柱两侧形成各自的塑性区宽度，m；x1为采准巷道在护巷煤柱两侧形成各自的塑性区宽度，m。

根据岩体极限平衡理论，塑性区的宽度及支撑应力峰值与煤体(煤柱)边缘之间距离的公式x0为

(2)

式中，K为应力集中系数；P1为支架对煤帮的阻力，kN；H为巷道埋深，m；γ为上覆岩层平均体积力，kN/m；C为煤体的黏聚力，MPa；φ为内摩擦角，(°)；f为煤层与顶底板接触面摩擦系数；ξ为三轴应力系数。

根据矿区地质和煤层赋存条件，参数选取的原则是：在一侧采动时，K取2.5；两侧采动时，K取4.0，P1取0；由于煤层采高与巷道高度不同，考虑开采的综合影响，m取采高与巷道高度之和的1/2；C通常取0.45～0.75MPa。结合钱家营煤矿2021E工作面的具体地质条件，理论计算合理煤柱尺寸为6.25m，为了最终方便与错层位巷道布置形式进行对比，最终确定巷道宽度为6m。

2.1.2 错层位巷道布置

根据文献[4]，将工作面两端的区段进风巷与回风巷分别布置在厚煤层的不同层位立体化相互交错搭接，构成了不同的巷道搭接形式。典型的错层位巷道布置有内错式、重叠式、外切式和外错式，如图2所示。根据上巷回风巷起坡角计算以及煤层地质条件，此处选择错层位外切式进行数值模拟。

1—下一工作面进风巷；2—上一工作面回风巷

2.2 数值模拟

2.2.1 数值模型

采用FLAC3D数值计算软件进行模拟分析，根据钱家营矿2021E工作面地质条件，建立传统巷道布置下不同宽度煤柱，即6，10和15m煤柱宽度下巷道围岩状态数值模拟模型和错层位巷道布置下工作面巷道受力模型，分析并优化煤柱宽度，并对比错层位外切式布置下煤柱内支撑应力、位移及煤柱内部塑性区分布规律。

模型尺寸为200m(x)×170m(y)×95m(z)，其中X轴方向为工作面方向，Y轴沿工作面推进方向，Z轴为重力方向，传统巷道布置和错层位巷道布置建立的模型及地层分组具体情况如图3所示。模型上部边界距地表600m，底部边界垂直方向固定，左右边界方向固定，地应力根据实测地应力进行施加，模型上部岩体施加竖向地应力15.6MPa。

数值模型在初始地应力平衡之后，进行上区段工作面的回采，为单侧开采，工作面开采尺寸为195m×2.6m(宽×高)，模型四周留边界煤柱30m，工作面推进长度170m，模型每次开挖推进长度30m。模型采用莫尔-库伦本构模型进行计算，相关岩层力学参数详见表1。

图3 12-1煤回采巷道FLAC3D模型

表1 各岩层力学参数

岩层体积模量/GPa剪切模量/GPa密度/(kg·m-3)摩擦角/(°)黏聚力/MPa抗拉强度/MPa细砂岩4 502 252450323 002 60粉砂岩4 002 002400424 604 30炭质泥岩3 301 652400424 404 0012-1煤4 502 251350323 002 60粉砂岩4 002 002500424 003 60粉砂岩4 002 002500294 203 80中砂岩3 201 602500293 803 40

2.2.2 煤柱宽度数值计算

2.2.2.1 应力场分布与煤柱宽度的关系

图4为传统巷道布置下煤柱宽度6，10，15m和错层位巷道布置下梯形煤柱6m情况下工作面的垂直应力(SZZ)的分布规律。同时对巷道中间高度位置煤柱内垂直应力信息进行提取分析比较，切片为y=115m处。不同煤柱宽度对应的煤柱内垂直应力分布如图5所示。

由图4～5看出，煤柱峰值点都分布在靠近采空区侧，符合垂直应力在倾向方向上的分布规律。在单侧采空条件下，煤柱宽度不同，内部围岩垂直应力分布也相应不同。当煤柱宽度为6m时，煤柱支承应力峰值为100MPa，煤柱内支承应力峰值距煤壁1.6m，应力集中系数6.09，高于原岩应力，同时2条巷道靠近煤柱侧，发生塑性破坏，支承应力成近似的蝶形状分布，由此说明煤柱内部存在弹性核。由图5(a)知煤柱中间的弹性核宽度为3.2m，煤柱处于安全状态，具有一定的承载能力。煤柱宽度为15m时，煤柱支承应力峰值距离煤壁4m，煤柱中心位置接近应力最低点近20MPa，应力集中系数为4.26，弹性核区域范围为6m，弹性核分布范围增大，煤柱承载能力增强。随着煤柱宽度的继续增大，煤柱支承应力峰值呈逐渐递减的趋势，内部弹性稳定区增大，煤柱承受能力显著增强。

图4 传统巷道布置下不同宽度煤柱和错层位巷道布置6m煤柱垂直应力分布

图5 不同煤柱尺寸及错层位煤柱(6m)垂直应力曲线

由图4(d)看出，在错层位巷道布置下，运输巷道承受的垂直应力(SZZ)较小，由于巷道上方采空区的影响，所以巷道左侧和上方的应力较传统巷道显著减小，巷道变形减小，巷道的维护强度降低，同时减少了煤柱的损失。需要说明的是，由于采用的是矩形巷道布置，因此在错层位巷道右上角和右下角出现了应力集中的现象，掘巷时可以通过优化巷道布置形状，避免巷道边角处出现应力集中的现象。

由图5(d)看出，煤柱内部支承应力值向巷道方向逐渐递增，峰值位置靠近巷道左帮，峰值为10MPa，小于原岩应力。需要注意的是，梯形煤柱左半部分，即三角煤柱区域处于采空区下方，处于应力降低区域，支承应力值小于原岩应力，而靠近巷道左帮处，围岩已经完全破坏，应力值也小于原岩应力，2个区域低于原岩应力的机理是不同的。

2.2.2.2 煤柱塑性区变化规律

分别提取2种巷道布置下工作面推进方向y=115m处切片塑性分布状态信息，具体情况如图6所示。

图6 传统巷道布置不同宽度煤柱和错层位巷道布置6m煤柱塑性区分布示意

由图6可知，传统留煤柱巷道布置下，不同宽度煤柱的塑性区破坏区不同，从本质上来说，煤柱支撑能力的强弱可以通过煤柱本身的破坏程度来获得更加直观的反映，当传统巷道布置下煤柱宽度为10和15m时，煤柱中间有较大的弹性核区域，说明煤柱承载能力较强，而且煤柱内部塑性破坏区域范围小；当煤柱宽度为6m时，煤柱仍然具有一定的弹性核区域，只是范围较小。因此可以认为6m宽度为煤柱完全破坏的极限宽度。

在错层位巷道布置形式下，塑性区范围多集中在上区段回风巷道下方和下区段运输巷道左方，在错层位梯形煤柱中分布范围较小(梯形煤柱为上区段回风巷及工作面抬高部分与下区段运输巷之间形成的煤柱区域)。通过对比分析，在错层位巷道布置下，煤柱破坏范围分布较小，且煤柱分布在采空区下，稳定性较好，同时减少了今后下层煤体开采中应力的传递。

综合分析，在传统留煤柱巷道中，留设6m煤柱能较好地达到减小煤柱尺寸和承载上覆应力的目的，而错层位巷道布置在巷道应力分布及煤柱内部稳定性上比传统巷道布置留设6m煤柱更有优势。

2.3 相似模拟

试验平台采用中国矿业大学(北京)采矿工程实验室的二维试验台及平面应力模型。设几何相似比为αL=200∶1，体积密度比αγ= 1.6∶1，模拟与实体所有各对应点的运动情况要求相似，即各对应点的速度、加速度、运动时间等都成一定比例。因此，要求时间比为常数，即αt=14.1。

模型底面限制垂直移动，模型上部边界施加垂直应力。试验中采用Nikon DTM -53IE型全站仪、CM-2B型静态应变仪以及计算机数据采集系统等仪器，研究煤层在采用传统留煤柱巷道布置和错层位巷道布置形式下上覆岩层的运移规律以及接续工作面顶板整体垮落特征和应力分布规律。

为了突出错层位接续工作面上覆岩层运移特点，特选取一留设6m区段煤柱的传统综放开采进行对比，如图7所示，图7(a)为工作面覆岩垮落前示意图，中部为工作面，工作面左侧为错层位巷道布置，右侧为传统留煤柱巷道布置，图7(b)为工作面推进完成后覆岩垮落后示意图。

传统综放开采工作面之间留设区段煤柱，由于有了煤岩柱的阻隔，工作面各自形成一个“梯形”垮落稳定结构，如图7(b)所示，煤层采出后，上覆岩层将其压力转移到煤柱上，煤柱受到上覆岩层强烈压力会出现压酥、压裂，造成上覆岩层整体急剧下沉，矿压显现十分剧烈，甚至造成煤柱的突然性破坏，诱发冲击地压。

图7 传统巷道布置与错层位巷道布置岩层运移对比

错层位外切式开采取消了工作面留设的区段煤柱，如图7(a)左侧所示，工作面之间由于没有了煤岩层的阻隔，接续工作面上覆岩层一开始垮落就与上一工作面连成一个整体，接续工作面开采到一定范围时， 2个工作面形成一个公共关键层，类似于1个超长工作面。同时试验发现，采用错层位综放开采地表下沉缓慢均匀，地表不会出现坑坑洼洼的现象。

3 结 论

(1)传统区段煤柱宽度尺寸较大时，单侧采空煤柱内支承应力呈近似蝶形状分布，煤柱中间存在弹性核，随着煤柱尺寸的增大，弹性核区域增加，煤柱承载能力增大。

(2)传统巷道布置下，通过理论分析确定煤柱合理尺寸为6m，结合数值模拟结果，煤柱宽度6m时，存在较小的弹性核区域，煤柱塑性区范围较大。

(3)在传统留煤柱巷道布置情况下，引入错层位巷道布置法，在减小垂直应力和降低塑性区分布范围等方面，错层位巷道布置具有较明显的优势。

(4)通过布置错层位巷道，可减小煤柱损失，提高煤炭资源采出率，应力减小，进一步减少巷道维护成本，降低钱家营巷道布置等成本。

[1]徐永圻.煤矿开采学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2009.

[2]钱鸣高.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2011.

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[责任编辑：李 青]

Simulation Studying of Working Face Roadway of Qianjiaying Coal Mine

WANG Zhi-qiang,GUO Lei，LIU Hong-jun,XING Rui-jun,SU Yue

(School of Resources and Safety Engineering，China University of Mine Technology(Beijing )，Beijing 100083，China)

The ordinary roadway arrangement with coal pillar layout and stagger roadway arrangement were studied by theory analysis，numerical simulation and similarity simulation method.Firstly，coal pillar width or ordinary roadway arrangement was determined and then its rationality was verified，and exterior layout was applied in stagger layer roadway，then according geological situation of Qianjiaying coal mine，surrounding rock stress and deformation broken after coal excavation under different coal pillar width were simulation studied，then reasonable coal pillar width of 12-1 coal seam is 6m，and elastic core width is 3.2m，compared with stagger layer roadway arrangement，the overburden displacement of two different roadway arrangement were studied with similarity simulation in laboratory，it references for mining roadway layout of 12-1 coal seam.

coal pillar；elastic core；stagger arrangement；reasonable size

2016-08-25

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.02.005

国家自然科学基金项目(51404270)；中央高校基本科研业务费专项资金项目(2011QZ06)

王志强(1980-)，男，内蒙古呼伦贝尔人，副教授，从事矿压方向研究。

王志强，郭 磊，苏 越.钱家营矿工作面巷道布置模拟研究[J].煤矿开采，2017，22(2)：19-23，109.

TD822.2

A

1006-6225(2017)02-0019-05