近距离煤层巷道布置数值模拟研究

2019-04-09裴斌

山东煤炭科技 2019年3期

裴斌

（山西省晋神能源生产服务中心，山西忻州 034000）

近距离煤层在回采时，上煤层回采引起工作面回采区域内围岩应力的重新分布，不仅造成区域内煤层应力集中，而且造成底板岩层巷道或近距离下煤层巷道变形加剧，巷道两帮与顶板接触面之间的内摩擦角和粘结系数变小，不易形成稳定结构。因此，上下煤层工作面的位置关系与回采巷道布置问题是近距离煤层高效开采急需解决难题之一。

1 工程概况

晋神能源沙坪煤矿13#煤层上部存在8#煤层采空区，8#煤层底板距13#煤层顶板平均为50.5m，8#煤层采空区遗留煤柱可能会给13#煤层回采巷道的稳定性带来影响。根据矿山压力传递规律，上煤层区段煤柱所形成支承压力在底板岩层内将有一定的传递范围，而且随远离煤层而逐渐衰减。因此，13号煤层工作面巷道应布置在支承压力影响线之外，才能避开8号煤煤柱集中应力的影响，如图1所示。根据图1，13#煤工作面巷道内错距离Ln为：

Ln≥(h1+h2)tanφ

式中：

Ln-8#煤区段煤柱边界与13煤工作面巷道的水平间距，m；

φ-应力传播影响角，20°；

h1-8煤与13煤间岩层厚度，按最小50m；

h2-13煤煤层厚度，16.84m。

经计算得Ln≥19m，即13#煤巷道应内错至少19m布置。

2 13#煤巷道布置方式模拟分析

为了分析合理的13#煤巷道布置方式，采用FLAC3D数值模拟软件研究8#煤回采动压影响下的13#煤巷道布置方式问题。

区段煤柱的两侧分别是两个相邻的8#煤回采工作面，8#煤层回采遗留煤柱宽度设为20m，采用的内错距离方案如下：0m、15m、25m、35m等共4个方案。根据模拟结果，13#煤巷道与8#煤煤柱间应力分布情况如图2所示。

分析图2可知受区段煤柱集中应力的影响。13#煤巷道与煤柱水平错距越大，巷道深部围岩所处的应力越低。当13#煤巷道布置在煤柱的正下方时，巷道深部围岩应力处于4MPa应力区域；当13#煤巷道内错煤柱中心线25m布置时，巷道深部围岩应力降低至2MPa；当13#煤巷道内错煤柱中心线35m布置时，巷道深部围岩应力降低至1MPa以内，此时巷道避开了煤柱下方的高应力区，进入一个应力相对较低的区域，随着13#煤巷道与煤柱中心线内错距离的进一步增大，周围应力环境已无太大变化。

因此，在8#煤煤柱集中应力的影响下，13#煤巷道合理布置的方式应该是内错于煤柱中心线25m的距离，内错于煤柱边界15m的距离，使煤柱位于13号煤层工作面上方。

图2 区段煤柱应力分布状态图

3 13#煤层区段煤柱宽度

为了分析合理的煤柱宽度留设，采用FLAC3D数值模拟软件研究区段煤柱宽度留设问题。

区段煤柱的两侧分别是两个相邻的13#煤回采工作面。

模拟采用的各岩层根据沙坪煤矿13#煤柱状图建立。本次模拟底板厚度为20m，煤层厚度为17m。区段煤柱宽度留设采用的方案如下：6m、10m、15m、20m、25m、30m等共6个方案。区段煤柱的破坏状态分析如图3所示。

分析图3可知，受工作面回采影响，煤柱两侧内部塑性区破坏范围均达到2m，至煤柱宽度为20m时，塑性破坏区没有连通，煤柱继续减小时，塑性破坏导致的煤壁变形急剧增加。从破坏区域来看，15m煤柱两侧塑性破坏区已经彻底贯通，区段煤柱在下一个工作面回采前能够保持煤柱内部未产生塑性区破坏的最小煤柱宽度可参考区段煤柱的模拟结果，即不小于20m，可以满足煤柱长期保持相对完好，不产生煤柱的整体失稳。

图3 区段煤柱破坏状态图

统计分析区段煤柱内的应力分布情况如图4。煤柱宽度从40m降低至12m时，区段煤柱内的应力分布仍呈现双峰状，到煤柱宽度低于12m后，煤柱内的应力分布呈现单峰状。不同宽度区段煤柱内，应力集中水平和煤柱内应力水平随区段煤柱宽度减小呈现先升高后降低的趋势。分析后期应力集中降低的原因，认为是整个煤柱发生了塑性破坏所致。

从图4中可见，煤柱宽度不小于20m时，区段煤柱弹性核区宽度可以达到8m，满足煤柱稳定性要求；煤柱宽度为15m时，支承压力峰值区开始叠加，煤柱弹性核区应力明显增大；煤柱宽度12m时，应力集中峰值与较大煤柱宽度相比差别不大，应力集中系数基本维持在1.45～1.86，但煤柱宽度10m以后的应力峰值迅速降低，应力集中系数迅速降低至1.08左右。分析煤柱宽度10m以下时煤柱应力的变化，认为煤柱在10m以后发生了塑性破坏导致应力分布发生急剧变化所致。分析可见，从煤柱核区宽度角度，区段煤柱宽度应不小于20m，再加上两侧塑性区宽度5m，13#煤工作面合理区段煤柱宽度为25m。