近距离煤层开采合理巷道布置方法研究

2022-02-17赵宇德

煤 2022年2期

赵宇德

(国家能源集团乌海能源有限责任公司平沟煤矿，内蒙古乌海 016000)

煤炭资源在我国能源结构中占有主导地位，有效保证了我国经济的快速发展[1-2]。然而随着煤炭产能的不断提高，也带来一些问题，对于煤矿的安全高效生产造成了不利影响，特别对于近距离煤层开采，巷道形成后顶板不稳定、底板底鼓现象严重、极易片帮及维修困难等问题[3-5]，为此需要深入研究近距离煤层安全开采方法，消除隐患。在这方面研究中，王恩博[6]通过分析上煤层遗留煤柱在煤层底板中的应力传播规律并计算出巷道与煤柱的内错距离应该大于12.8 m；赵洪宝等[7]研究了巷道在受到工作面回采与煤柱应力集中情况下产生非对称性破坏的机理与演化规律；周波等[8]指出在进行近距离采空区下煤层开采时必须采取加强下伏煤层开采超前支护，以保证近距离采空区下煤层开采顶板的有效管理和安全回采；崔世荣采用FLAC3D数值模拟软件对单侧和双侧采空区遗留煤柱底板应力分布特征进行分析，提出采用“锚杆+工字钢+单体柱”的联合支护方案[9]。本文以某煤矿近距离煤层开采为研究对象，采用理论分析与数值模拟相结合的方法，深入研究了合理巷道布置方法，为近距离煤层的安全高效开采提供了技术保障。

1 工程概况

平构煤矿采用斜井提升方式，走向长壁后退式采煤方法，全部垮落法式顶板管理，可采煤层主要为9号煤与10号煤，煤层平均厚度5 m，倾角3°。9号煤层掘进巷道的支护方式为锚网索支护，顶板岩性为泥岩及砂质泥岩，10号煤层掘进巷道的支护方式为金属棚支护，顶板岩性为泥岩及砂质泥岩，巷道形成后顶板不稳定、底板底鼓现象严重、极易片帮、维修困难频度高。工作面的布置方式为走向长臂后退式，工作面宽228～271 m，平均宽250 m，开采方式为综采，工作面开采后顶板和老顶全部垮落，地表有明显裂缝，地表沉降不明显。煤层顶底板情况见表1。

表1 采煤层顶底板情况

对于近距离煤层开采，上层煤柱受到岩层载荷集中应力作用，导致底部煤层中的回采巷道在采动压力作用下发生变形甚至破坏，增加维护成本。因此，需要深入研究近距离煤层开采合理巷道位置及煤柱宽度的确定方法，保障下煤层工作面安全高效回采。

2 遗留煤柱稳定性分析

研究采用Bieniawski强度公式对9号煤遗留煤柱载荷进行分析，煤柱载荷确定方法如下：

(1)

式中：R为煤柱所受载荷，MPa；Rc为煤柱极限强度，MPa；B为煤柱宽度，m；H为煤柱高度，m。

将该矿相关参数带入公式(1)有：

(2)

基于矿压理论，构建煤柱所受载荷模型如图1所示。

图1 煤柱受载模型图

则煤柱在单位长度时的承受载荷为：

(3)

式中：B为煤柱的宽度，m；D为采空区跨度，m；h为巷道埋深，m；δ为采空区上覆岩层垮落角，取30°；γ为上覆岩层容重，取2.3×103kg/m3。

将9号煤层数据代入公式(3)可得：

(4)

则20 m宽度的煤柱均布载荷为P/20=4 MPa，由于20 m煤柱能够承受的均布载荷为44 MPa，小于煤柱的强度10.8 MPa，说明9号煤层工作面的回采将不会对煤柱造成实质性的破坏，煤柱比较稳定。

3 煤柱下应力分布特征分析

根据前述对上部煤层遗留煤柱稳定性分析结果，结合弹性力学理论，建立平面半无限体分析模型如图2所示。

图2 平面半无限体分析模型图

在煤柱受载条件下，底板不同位置的应力表达式如下：

(5)

式中：S为区段煤柱尺寸，m；q为煤柱所受均布载荷，MPa；y为底板岩层到上部岩层垂直距离，m；x为底板岩层到煤柱中心距离，m。

基于上述理论分析结果，煤柱的存在对垂直应力分布影响较为明显，随着与煤柱距离的增加，应力值也随之减小，为此对于近距离煤层开采时，下煤层巷道的布置应确保其位于煤柱应力影响区之外。考虑煤层倾角情况建立近距离煤层开采巷道影响范围数学模型见图3。

图3 近煤层开采巷道影响范围数学模型图

可得到：

(6)

式中：M为巷道错开距离，m；Z为巷道至煤层底板应力影响范围，m；β为应力传播影响角，°；θ为应力力传播影响余角，°；α为煤层倾角，°。

本矿煤层倾角为3°，煤层底板应力影响距离为10 m，通过实测本矿煤柱向底板传力的影响角约为40°，将相关参数带入公式(6)可计算出下，煤层回采巷道应布置在煤柱线外约18.8 m之外，巷道受压状况可明显改善。确定10号煤层回采巷道的理论内错距离为19 m。

4 合理巷道位置确定数值模拟分析

研究采用数值方法对该矿10号煤层合理巷道布置位置进行分析。模型长×宽×高=200 m×10 m×70 m，划分为35 652个单元。模型前后左右及下边界位移约束，岩体力学参数见表2。

表2 岩石力学参数

数值模拟中煤柱宽度20 m，巷道错开距离分别为15 m(方案1)，17 m(方案2)，19 m(方案3)及21 m(方案4)。通过分析不同方案的巷道底鼓量和顶板下沉量以及两帮移近量，确定合理的巷道错开距离，以便最终确定合理的巷道位置，数值模拟结果分别见图4与图5。

图4 巷道垂直位移变化情况图

基于数值结果获得的巷道位移变化情况见图6，可以看出，随着巷道错开距离的增加，巷道顶底板及两帮位移呈现整体降低趋势，巷道错开距离由15 m增加至19 m时，底板底鼓量由275 m降低至105 m，降低量达62%.底板沉降量由78 mm降低至26 mm，降低量达66.7%，两帮移近量由164 mm降低至83 mm，降低量达49.4%；巷道错开距离由19 m增加至21 m时，底板底鼓降低量达17.1%，底板沉降降低量达26.9%，两帮移近降低量达9.6%.

图5 巷道水平位移变化情况图

综合分析，巷道错开距离由15 m增加至19 m时，巷道位移平均降低量达59.4%；巷道错开距离由19 m增加至21 m时，巷道位移平均降低量达17.8%.从回采安全及资源回收率最大原则考虑，当巷道错开距离为19 m时最佳，这与理论计算结果基本吻合，进一步验证了理论分析的可靠性。在19 m错开距离条件下，可使回采巷道在上部煤柱支承压力的影响之外，确保下煤层安全高效开采。