基于FLAC3D的 “三软”煤层错层位巷道布置开采数值模拟研究

2018-05-22刘宏军

中国矿业 2018年5期

关键词：层位底板峰值

宋平，刘宏军,，周浩

(1.华北理工大学矿业工程学院，河北唐山 063210；2.河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北唐山 063210；3.开滦精煤股份有限公司范各庄矿业分公司，河北唐山 063009)

所谓“三软”煤层是指“顶板软、煤层软、底板软”，“三软”煤层地质构造复杂，赋存条件差，难以实现大规模机械化开采，采用传统采煤法开采“三软”煤层，巷道布置复杂，围岩控制比较困难，煤炭回收率较低[1-2]。

为了求解决上述问题，研究出适合“三软”煤层开采方法，为类似条件下煤层的安全开采积累了经验，达到对“三软”煤层进行安全高效开采的目标。本文结合错层位巷道布置采煤法巷道布置特点，提出了采用错层位巷道综放采煤法开采“三软”煤层。

1 工作面概况

河南某矿31111工作面主采二1煤层，煤层厚度0.15～15.2 m，煤层厚度变化大，平均厚度7.3 m，煤层倾角平均14°，工作面走向长1 600 m，倾斜宽140 m。该工作面是典型“三软”煤层工作面，工作面煤质松软，普氏系数0.2～0.5，煤层呈粉粒状或鳞片状，遇水后成煤泥；煤层直接顶和底板普遍为泥岩或砂质泥岩，煤层顶底板详细情况见表1。

表1 煤层顶底板情况

对于该矿“三软”煤层的开采，若采用传统巷道布置采煤法，即在松软煤层中开掘工作面进风巷、回风巷，巷道掘进和维护十分困难，成本较高，同时，布置接续工作面时，相邻工作面之间需留设较宽的护巷煤柱，煤炭损失严重[3-4]。

2 “三软”煤层错层位巷道布置采煤法

错层位巷道布置采煤法是由中国矿业大学(北京)赵景礼发明，并获得了国家发明专利[5]。对于该矿“三软”煤层的开采，可采用错层位巷道布置采煤法，其巷道布置如图1所示。

图1 “三软”煤层错层位巷道布置图

从图1中可以看出，错层位巷道布置采煤法通过采用灵活的巷道布置方式，选择将巷道布置在较为坚硬顶板岩层中，取消了区段煤柱留设，避开了支承压力峰值的影响，将接续工作面巷道布置在首采工作面采空区下方的应力降低区内，从理论上对“三软”煤层的开采较为有利[6-7]，但其应用效果需进一步研究分析，为此下面采用FLAC3D数值模拟的方法进行具体研究分析。

3 FLAC3D数值模拟研究

3.1 模型建立

以河南某矿“三软”煤层工作面实际地质条件为背景，建立数值模拟模型[8]，模型模拟的煤层距地面约300 m，在不影响计算结果的前提下对模型进行简化，简化后的模型如图2所示，煤岩层物理力学参数见表2。

图2 数值模拟模型图

3.2 模拟内容

巷道基本支护采用具备高阻可缩特性的U型钢支护，棚距500 mm，支架搭接长度为500 mm，并对巷道表面进行喷浆，喷层厚度为50±5 mm。

表2 煤岩层物理力学参数

本文通过采用FLAC3D数值模拟软件，分别模拟采用传统和错层位巷道布置采煤法开采“三软”煤层，并将两种采煤法进行对比研究分析[9]，主要模拟内容包括：①首采工作面巷道布置在不同层位上，在掘进和回采期间巷道围岩的受力变形情况；②相邻接续工作面巷道采用不同的布置位置和方式，其巷道围岩的受力变形情况。

3.3 模拟结果分析

3.3.1 首采工作面巷道数值模拟分析

3.3.1.1 掘进期间

图3 首采工作面巷道掘进围岩应力分布云图

1) 应力分布。针对该矿“三软”煤层的开采，错层位巷道布置采煤法将首采工作面回风巷布置在较为坚硬的顶板岩层中，其巷道围岩应力分布如图3所示。从图3中可以看出，巷道掘进后巷道顶底板中部的应力较小，其应力集中系数k=0.34～0.38，在巷道两侧的煤岩层中出现支承应力峰值。由于错层位将回风巷道沿顶板布置，其顶板岩层为砂质泥岩，较煤层坚硬。从表3可看出相比沿煤层布置的巷道，错层位巷道围岩承受支承应力的能力增强，错层位巷道两侧煤岩层中支承应力峰值较大、出现峰值点的位置离巷道较近，支承压力的影响范围较小。

2) 位移分布。在煤岩层中开掘巷道，巷道围岩在支承应力的影响下出现不同程度的变形，如图4所示。巷道围岩变形以顶板下沉和底鼓现象较为严重，具体巷道围岩变形量见表4。与传统巷道布置相比，错层位沿顶板布置巷道除顶板下沉量较大外，底板和两帮位移量均较小，尤其是底鼓量明显减小，即巷道围岩支护条件得到了改善，维护较为容易。

表3 巷道围岩峰值应力统计表

表4 巷道围岩变形量表

图4 首采工作面巷道掘进围岩位移分布云图

图5 首采工作面回采期间实体煤一侧应力分布曲线

3.3.1.2 回采期间

1) 应力分布。首采工作面回采，巷道一侧实体煤上的支承压力进行了重新分布，提取支承应力数据，做出实体煤一侧支承应力分布曲线，如图5所示。与传统巷道布置采煤法相比，采用错层位开采巷道实体煤一侧支承应力影响范围较小，应力峰值出现的位置离巷道较近，距离5～6 m，但应力峰值较大，最大峰值应力为34 MPa，应力集中系数k=2.43，根据实体煤一侧支承应力大小进行分区，如表5所示。从实体煤一侧的支承应力分区来看，错层位和传统巷道布置开采，煤体一侧破裂区范围相同，但错层位开采塑性区和弹性区升高部分范围较小。

2) 位移分布。提取回采期间，巷道围岩变形数据，作出传统开采和错层位开采围岩位移分布曲线，如图6所示。由图6可知，采用错层位巷道布置巷道位移量为1 000 mm左右，较传统开采位移量1 600 mm小，巷道围岩维护较为容易。

3.3.2 接续工作面巷道掘进数值模拟分析

该矿“三软”煤层若采用传统开采方法，根据以往经验相邻工作面之间需留设50 m护巷煤柱，而采用错层位开采方法，可将接续工作面巷道布置在首采工作面采空区下方的应力降低区内。

1) 应力分布。传统开采接续工作面巷道围岩最大应力出现在巷道左帮，最大应力为23 MPa，应力集中系数k=1.65，巷道顶底板应力均较小；而采用错层位巷道布置，接续工作面巷道布置在应力降低区，应力集中系数k=0.29～0.60，巷道围岩应力均小于原岩应力，巷道掘进和维护较为容易，但错层位接续工作面巷道顶板处于沿空状态，支护时需要防止工作面漏矸及工作面漏风。

2) 位移分布。从表6可以看出，传统开采接续工作面巷道底板出现了明显的底鼓现象，底鼓量为264 mm，巷道顶板下沉量也较大，下沉量158 mm；错层位接续工作面巷道布置在首采工作面采空区下方，巷道掘进后变形量较小，接续工作面巷道最大变形出现在巷道右帮，最大变形量为121 mm。错层位接续工作面巷道围岩变形量较小，巷道维护较为容易，错层位接续工作面巷道两侧变形量差异较大，应加强对巷道右帮的支护。