极近距离煤层群下煤层开采巷道布置错距优化模拟分析

王 丽 翟志华

(1. 呼伦贝尔学院工程技术学院，内蒙古自治区呼伦贝尔市，021008；2. 汇永控股集团有限公司鄂尔多斯市分公司，内蒙古自治区鄂尔多斯市，017000)

★ 煤炭科技·开拓与开采★

极近距离煤层群下煤层开采巷道布置错距优化模拟分析

王 丽1翟志华2

(1. 呼伦贝尔学院工程技术学院，内蒙古自治区呼伦贝尔市，021008；2. 汇永控股集团有限公司鄂尔多斯市分公司，内蒙古自治区鄂尔多斯市，017000)

以内蒙古鄂尔多斯色连一矿为工程背景，运用FLAC 3D数值模拟软件，通过分析2-2煤层(上煤层)开采对3-1煤层(下煤层)的影响来判定3-1煤层巷道错距的取值范围，然后对该错距范围内的巷道布置做进一步数值模拟分析。通过建立内错5 m、7 m、9 m、11 m四种模型，从应力及塑性区分布规律的角度入手，最终确定当巷道内错11 m，即3-1煤层中间煤柱42 m时较合理。数值模拟结果在现场得到了验证。

近距离煤层 巷道错距 布置优化 数值模拟

煤炭作为我国的主要化石能源，在未来较长一段时间内其主导地位不会被动摇，保证煤矿安全开采对煤炭行业的可持续发展以及我国经济的长期稳定具有重要意义。近些年对近距离甚至极近距离煤层群开采的研究已经成为煤层开采研究的热点，与普通煤层开采相比，由于上煤层采动应力影响以及预留煤柱的应力集中，使将要开采的下煤层顶板受到不同程度破坏。

近距离煤层群在我国分布较广泛，许多矿区，如大同矿区、淮南矿区等都存在近距离煤层群开采过程中巷道的稳定性问题。所以，有必要在进行施工之前先对煤层群进行数值模拟分析，得出基本规律后再结合工况考虑综合因素对煤层开采进行有关设计，从而提高安全性和可靠性。

本文以内蒙古鄂尔多斯色连一矿近距离煤层群下煤层开采为工程背景，在实际地质概况基础上，利用三维数值模拟软件FLAC 3D，对下行式开采时下煤层巷道布置错距进行了模拟及优化分析。

1 地质概况

色连一矿位于内蒙古矿区，矿井开采方式为下行式开采，目前2-2煤层(上煤层)已基本开采完成，要进行3-1煤层(下煤层)的开采设计。其中， 3-1煤层与2-2煤层间距为9.45～15.72 m，平均为12.83 m，3-1煤层综采工作面长度预计为260 m，煤层结构较简单，煤层沉积稳定，属稳定煤层。煤层顶底板岩石主要为砂质泥岩、细粒砂岩、粉砂岩，其次为粗粒砂岩。煤层具体赋存条件如图1所示。

图1 煤层及顶底板岩层性质柱状图

2 模型建立

2.1 模型简化

为了简化模型，提高工作效率，在对结果影响很小的基础上将模型简化为水平岩层布置。模型总尺寸为680 m×100 m×308.6 m，从下至上依次为80 m厚的下层岩体、20 m厚的砂质泥岩、3 m厚的3-1煤层、2 m厚的粉砂岩、3.6 m厚的2-2煤层、1 m厚的泥岩、26 m厚的砂质泥岩和最上层180 m厚的上覆岩体至地表，数值模型如图2所示。模型的前后左右被法向固定，下部3个自由度均固定，上部不固定，重力加速度取-10 m/s2。

图2 极近距离煤层下煤层开采FLAC 3D模型

2.2 网格划分

模型网格的划分需要基于精确和简便的双重原则，网格尺寸(Y×X)为5 m×4 m；将中间煤柱及巷道周围的网格细化，在X方向单元长度为1 m，使得受力研究的单元变多，在研究塑性区、应力和位移时取点变多，从而使模拟结果更加精确，如图3所示。

图3 模型网格细化图

3 巷道布置初步分析

本文首先通过分析上煤层开采对3-1煤层(下煤层)的影响来判定3-1煤层巷道错距取值范围，然后对巷道布置的错距做进一步数值模拟分析，为工程实际提供参考。

2-2煤层开挖回填后，接下来需要模拟的是3-1煤层的开挖，3-1煤层模拟的顺序为先开挖巷道，再开挖工作面，并且在开挖工作面时要按照实际要求分步开挖，每次开挖8 m，以提高运算精确度。3-1煤层巷道尺寸为5 m×70 m×3 m，开切眼尺寸为5 m×260 m×3 m。由上述分析可知，2-2煤层在采空区形成后，会形成一定范围的应力增高区和应力降低区。

在模型的中部位置，选取垂直于巷道走向的剖面分析中间煤柱两边巷道的应力，并做出应力等值线图，综合分析得出巷道布置大致范围。3-1煤层竖向应力曲线图见图4。

图4 3-1煤层竖向应力曲线图

在建立模型时，3-1煤层原岩应力F的计算式如下：

F=ρgH

(1)

式中：ρ——岩体密度，取1000 kg/m3；

g——重力加速度，取10 m/s2；

H——煤层埋深，取208.6 m。

由式(1)可以得出，3-1煤层原岩应力大致为2 MPa。

由图4可知，在2-2煤层开挖完以后，在中间煤柱处出现了很大的应力集中，应力集中系数约为16，在2-2工作面回填后，由于材料赋值较差，出现了应力降低区甚至出现应力为0的现象。在3-1煤层中间50 m范围内有较大的竖向应力集中，由于模型对称可知巷道大约在内错5 m时，竖向应力大约为2倍原岩应力,但是在内错大于15 m时，可以看出3-1煤层的应力变得很低。从巷道布置来说，应力越小开挖时巷道稳定性越强，支护成本越低，但是当内错距过大时，中间煤柱越大，浪费越严重，所以,要综合考虑各个因素，得出最佳错距值。

3-1煤层水平应力和剪切应力曲线图分别见图5和图6。由图5和图6可以看，水平应力和剪切应力在距离中间煤柱中线25 m，即距离2-2煤柱水平距离15 m以后同样应力变得很低，围岩稳定性较好。

模型竖向应力等值线局部放大图见图7。由图7可以看出在煤柱中间会出现明显的应力集中，在煤柱下侧，应力等值线呈倾斜分布，这正是应力传播角所导致的，而在3-1煤层同一横坐标处，随着煤夹层粉砂岩的变厚，竖向应力明显减小，并且最大应力集中系数也变为12。

图5 3-1煤层水平应力曲线图

图6 3-1煤层剪切应力曲线图

图7 模型竖向应力等值线局部放大图

综上所述，选择内错5 m、7 m、9 m、11 m四种模型进行接下来的模拟分析。

4 不同错距模拟结果及分析

在进行具体巷道错距比较的时候，选取内错距为5 m、7 m、9 m、11 m四种方案进行模拟，主要研究回采巷道开挖后巷道围岩塑性区总面积和巷道围岩竖向应力分布情况。

4.1 不同错距巷道围岩竖向应力结果分析

由于需要更加清晰的定位局部应力的大小范围，将数据导入到Tecplot，并添加了网格对各个煤层和岩体进行清晰定位。模型内错5 m、7 m、9 m、11 m时巷道围岩竖向应力等值线图见图8。

图8 模型内错5 m、7 m、9 m、11 m时巷道围岩竖向应力等值线图

由图8可以看出，当巷道内错5 m时，竖向应力等值线在巷道处出现了弯曲，这是因为巷道周围出现了一定的应力增高区，大约为2～4 MPa；当巷道内错7 m时，竖向应力等值线弯曲面积变小，部分出现应力增高，但是数值变化不明显；当巷道内错9 m时，竖向应力基本恢复到原岩应力，竖向应力集中现象不太明显；当巷道内错11 m时，变化不明显，说明再继续增加内错距已没有意义且会增加煤资源浪费。在综合考虑到安全系数的基础上，选择内错11 m较合理。

4.2 不同错距巷道围岩塑性区结果分析

模型内错5 m、7 m、9 m、11 m巷道围岩塑性区图分布如图9所示。由图9可知，在巷道开挖以后，周围的部分围岩会出现不同程度破坏。当巷道内错5 m时，由于巷道开挖而使得围岩出现的塑性区面积为30 m2，可以看出围岩破坏面积较大，巷道不稳定，支护难度大。当巷道内错7 m时，由于巷道开挖而使得围岩出现的塑性区面积为26 m2，可以看出围岩破坏面积还是比较大，巷道仍然不稳定，支护难度大。当巷道内错9 m时，由于巷道开挖而使得围岩出现的塑性区面积为20 m2，可以看出围岩破坏面积减少较多，巷道稳定性增高，但是塑性区仍然不合理，支护难度比较大。当巷道内错11 m时，由于巷道开挖而使得围岩出现的塑性区面积为15 m2，可以看出围岩破坏面积趋于合理，巷道较稳定，并且在巷道周围围岩塑性区基本保持在2 m以内，在工程实际中可以符合支护要求，错距较合理。

综上所述，当巷道内错11 m，即3-1煤层中间煤柱42 m时较合理。

图9 模型内错5 m、7 m、9 m、11 m巷道围岩塑性区图

5 现场围岩变形监测

在以上数值模拟分析的基础上，为了进一步验证模拟结果的可靠性，在现场对3-1煤层的首采面2311工作面回采巷道的两帮及顶底板移近量进行了监测。

在3-1煤层的2311工作面回采巷巷内布置2个测区，即每条回采巷道各布置一个测区，每个测区布置10个观测点，观测点间距为20 m，观测区域的范围为200 m，以此来监测回采巷道两帮及顶底板移近量，如图10所示。巷道顶板移及两帮移近量如图11所示。

图10 现场监测的测点布置示意图

图11 巷道顶板移及两帮移近量平均值

由图11可知，回采巷道顶底板和两帮移近量的变化趋势基本相同；在工作面推进至50 m时，变形量迅速增加；当工作面推进100 m左右时，变形量基本趋于稳定；巷道顶底板的变形量约为220 mm，两帮变形量约为170 mm，该变形量在巷道允许变形范围内。

顶底板的变形量明显高于两帮变形量，主要原因是上煤层的应力集中作用主要集中于垂向方向，因此在必要时可对顶板加强支护。

6 结论

通过分析2-2煤层(上煤层)开采对3-1煤层(下煤层)的影响来判定3-1煤层巷道错距的取值范围，然后对错距为5 m、7 m、9 m、11 m的四种模型的巷道布置做进一步数值模拟分析，最终确定当巷道内错11 m，即3-1煤层中间煤柱42 m时较合理。根据数值模拟结果，在3-1煤层首采面进行了回采巷道顶底板及两帮移近量的监测，监测结果验证了该数值模型的可靠性。该数值建模及分析过程可为类似情况下的工程实际提供参考。

[1] 高宏杰, 徐会军. 在经济发展新常态下煤炭企业面临的形势和对策[J]. 中国煤炭, 2016(2)

[2] 李福胜. 浅埋近距离煤层群上下煤层同采巷道布置优化[J]. 中国煤炭, 2014(5)

[3] 贾永军.含夹矸厚煤层综放开采技术分析[J].煤矿开采,2002(1)

[4] 马全礼,耿献文,童培国.近距离煤层同采工作面合理错距研究[J].煤炭工程，2006(3)

[5] 武忠,李日官.极近距离煤层回采巷道布置研究[J].煤矿开采,2002(4)

[6] 张炜,张东升等.极近距离煤层回采巷道合理位置确定[J].中国矿业大学学报,2012(2)

[7] 王成, 张农，韩昌良等. U型棚锁腿支护与围岩关系数值分析及应用[J].采矿与安全工程学报,2011(2)

[8] 李明国,刘宝昌，崔建忠等.近距离采空区下破碎复合顶板煤巷支护技术[J].煤矿开采,2006(2)

[9] 尤勇,周学斌，王多春等.马丽散加固巷帮联合支护技术在桃园煤矿的应用[J].煤炭科学技术,2006(7)

[10] 付金强.石圪节煤矿近距离煤层联合开采工作面合理错距研究[J].煤炭工程,2011(12)

[11] 屠世浩, 窦凤金, 万志军. 浅埋房柱式采空区下近距离煤层综采顶板控制技术[J]. 煤炭学报,2011(3)

[12] 张百胜,杨双锁.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(1)

[13] 刘新河, 于海洋, 周奕朝等. 郭二庄矿近距离煤层同采合理错距研究[J]. 中国煤炭, 2012(4)

Simulationanalysisofstaggereddistanceoptimizationofminingroadwaysatlowerseamofultra-closedistancecoalseams

Wang Li1, Zhai Zhihua2

(1. Engineering and Technology Institute， Hulunbuir College, Hulunbuir, Inner Mongolia 021008, China; 2.Ordos Branch Company of Huiyong Holding Group Co., Ltd., Ordos, Inner Mongolia 017000, China)

Taking Selian No. 1 Mine in Ordos, Inner Mongolia as the engineering background, through using FLAC 3D numerical simulation software and analyzing the influence of upper 2-2 seam mining on lower 3-1 seam mining, the value range of staggered distance of 3-1 seam roadways was determined, and drift layout within the range of staggered distance was further simulated and analyzed. The authors built numerical models with four different staggered distance, 5 m, 7 m, 9 m or 11 m, and analyzed from the distribution law of stress and plastic zone. The results showed that when the staggered distance was 11 m or the width of middle coal pillar of 3-1 coal seam was 42 m, the roadway layout scheme was more reasonable, and the results were verified in the site.

close-distance coal seams, roadway staggered distance, layout optimization, numerical simulation

王丽，翟志华. 极近距离煤层群下煤层开采巷道布置错距优化模拟分析[J]. 中国煤炭，2017,43(12)：85-90.

Wang Li, Zhai Zhihua. Simulation analysis of staggered distance optimization of mining roadways at lower seam of ultra-close distance coal seams [J]. China Coal, 2017, 43(12):85-90.

TD821.2

A

王丽(1967-)，女，内蒙古海拉尔人，副教授，高级工程师，主要从事采矿及矿产资源开发方面的教学与研究工作。

(责任编辑 郭东芝)