多次采动影响下回采巷道合理布置位置数值模拟分析

任欣 袁仕松 彭首清

摘 要：针对多次采动影响下近距离煤层群开采回采巷道围岩控制的问题，采用UDEC数值模拟方法，设计三种模拟方案：方案一：实体煤侧距上部煤层开采边缘17m处布置巷道;方案二：实体煤侧距上部煤层开采边缘47m处布置巷道;方案三：采空区侧距上部煤层开采边缘16m处布置巷道。通过对比分析了不同应力区域中巷道垂直应力和表面位移，并综合分析各因素，原岩应力区和卸压区中布置巷道是切实可行的的方案，其中以卸压区布置方案三最为理想。

关键词：采动影响;近距离;煤层群;巷道布置;数值模拟

0引言

对于煤层群开采，随着煤层间距离减小，上下煤层间开采的相互影响会逐渐增大，特别是当煤层间距很近时，下部煤层开采前顶板的完整程度已受上部煤层开采损伤影响，其上又为上部煤层开采垮落的矸石，且上部煤层开采后残留的区段煤柱及一侧采空的煤体在底板形成的集中应力，导致下部煤层开采区域的顶板结构和应力环境发生变化。从而使下部煤层开采与单一煤层开采相比出现了许多新的矿山压力现象。因此，研究近距离煤层群下部煤层回采巷道布置及围岩控制技术，对于近距离煤层群的安全高效开采具有重要意义。

某典型煤矿属于高瓦斯近距离煤层群开采条件，其北翼3+4号煤层24208回风巷（原胶带巷）存在巷道位置布置及支护参数不合理的情况，致使3+4号煤层24208回风巷（原胶带巷）受上部2号薄煤层保护层22201回采工作面开采的采动影响，巷道矿压显现强烈，制约着生产工作的顺利进行。因此，以某矿北翼22201工作面及24208回风巷（原胶带巷）地质条件为基础，开展近距离煤层群下部煤层回采巷道布置及围岩控制技术研究，对保证安全高效生产及工作面顺利接替具有重大意义。

1 工程概况

某煤矿井田4.5～8km的倾斜宽度，走向长22km，面积约135km2，设计生产能力3.0Mt/a，后经过技术改造生产能力提升为5.0Mt/a。矿井以两个水平开拓全井田，一水平开拓山西组2、3、4、5号煤，水平标高+400m，二水平开拓太原组6、8、9、10号煤。矿井目前生产水平为+400m水平。矿井北翼2、3+4、5号煤层属于近距离煤层群，24208工作面为北二采区第八个沿煤层倾向布置的长壁式回采工作面。其东面至北轨大巷;南面为正在回采的24207工作面;开拓区在西部;2#煤上方正在开采，22201工作面为首采工作面。

2回采巷道合理位置数值模拟分析

2.1 数值模型构建及方案设计

UDEC 4.0能够分析研究直接和不连续特征相关的潜在的岩体破坏方式，可以较准确地分析煤层开采造成的覆岩运动及破坏规律。以某煤矿北翼24208工作面综合柱状图为参照，建立现场二维数值计算模型。为消除模型尺寸太小对模拟结果准确性的影响，根据现场工作面实际施工情况，将模型尺寸设计为660×47.9m的长方形平面模型，如图1所示。模型采用摩尔—库仑模型且仅受重力作用，模型边界条件采用位移固定边界，其中两侧边界为单向约束，底部为双向约束。根据现场实际上边界载荷按采深514m计算。数值计算过程为：建立模型→原岩应力计算→煤层开挖→计算→结果输出。

为寻求近距离煤层底板应力场演化规律，在2号煤层中开挖150m的22201工作面，观测22201工作面开挖后模型运行500步时、1500步时、2500步時和3500步时四种情况下底板岩层应力等值线沿水平方向（X轴方向）及垂直方向（Y轴方向）的演化规律。

为了确定近距离煤层群开采下部煤层回采巷道合理位置，采用UDEC数值模拟软件分别在3+4号煤层原岩应力区、应力集中区和卸压区中布置巷道，对比分析不同应力区域中巷道垂直应力、塑性区和表面位移来确定下部煤层回采巷道合理位置，设计如下模拟方案：方案一：实体煤侧距上部煤层开采边缘17m处布置巷道;方案二：实体煤侧距上部煤层开采边缘47m处布置巷道;方案三：采空区侧距上部煤层开采边缘16m处布置巷道。

2.2 数值模拟结果分析

布置于原岩应力区中的巷道，垂直应力等值线对称分布，左右帮最大围岩应力为14MPa。由于受到上部煤层开采影响，布置于应力集中区和卸压区中的巷道两帮围岩应力出现非对称性分布特征，布置于应力集中区中的巷道，右帮最大围岩应力为18MPa，布置于卸压区中的巷道，右帮最大围岩应力为12MPa，方案三布置于卸压区中的巷道围岩应力小，有利于巷道围岩的稳定。

在巷道顶底板及两帮中点设置测点监测布置于3+4号煤层不同应力区域的回采巷道表面位移，监测结果见表1。

由表1可知，布置于应力集中区域中的回采巷道顶底板围岩和两帮围岩移近量最大，布置于卸压区域中的巷道表面位移最小，原岩应力区域中的巷道表面位移介于两者之间。从巷道表面位移分析，近距离煤层群下部煤层回采巷道最理想的布置位置为卸压区。综合分析各因素，原岩应力区和卸压区中布置巷道是切实可行的的方案，其中以卸压区布置方案三最为理想。

参考文献：

[1] 林衍，谭学术，胡耀华.对缓倾近距离煤层群同采合理错距的探讨[J].贵州工学院学报，1994.

[2] 武忠，李日官.近距离煤层回采巷道布置研究[J].煤矿开采，2002，7（4） ， 14-15，18.

作者简介：

任欣（1997.05-）男，贵州省仁怀市人，贵州六盘水师范学院矿业与土木工程学院采矿工程专业本科生

基金项目：贵州省大学生创新创业训练计划项目（2018520982）