近距离煤层遗留煤柱扰动下巷道合理布置方法研究

2022-07-08杨勇勇

煤 2022年7期

杨勇勇

(山西柳林大庄煤矿有限责任公司，山西吕梁 033300)

我国地下煤矿开采中，为保障工作面回采安全，往往在两相邻工作面间留有遗留煤柱，对于近距离煤层开采而言，上覆煤层回采结束后的遗留煤柱一般会对底板造成一定范围的应力扰动，如果下伏煤层巷道布置在上遗留煤柱产生的高应力扰动区，将导致巷道变形严重，难以维护[1-3]。为此，在矿山实际开采过程中，需充分考虑这一问题，针对下伏煤层回采，巷道需布置在合理的位置，并采取有效的支护措施[4-6]。

在这方面的研究中，盖德成等[7]分析了上分层遗留煤柱效应下底板冲击破坏机理，确定了下分层巷道冲击危险区域；李春元等[8]研究了下伏煤层开采前后上覆遗留煤柱对底板应力的扰动演化机制，分析了遗留煤柱区域下伏煤层开采扰动宽度；汪锋等[9]采用数值模拟和现场实测研究了上覆煤层开采后下伏煤层的卸压机理。

通过对上述文献分析，遗留煤柱的扰动影响主要集中于煤层间距小于20 m的近距离煤层开采，当煤层间距超过40 m时，煤柱应力扰动及下伏煤层巷道布置方法有待进一步研究。为此，本文采用理论分析与数值模拟相结合的方法，对这类煤层开采时巷道合理布置方法进行了研究。

1 工程概况

某煤矿主采2号煤层与3号煤层，煤层倾角2～6°，平均倾角4°，其中2号煤层厚5.2～6.3 m，平均厚5.8 m，埋深170 m，煤层顶板主要为粉砂岩，底板主要为泥岩；3号煤层厚6.4～7.2 m，平均厚6.7 m，埋深215 m，煤层顶板主要为砂质泥岩，底板主要为粉砂岩，属于典型的缓倾斜厚大煤层，两煤层间距为42.35 m，采高6.2 m。该矿采用大采高机械化采煤工艺，全部垮落法管理顶板，煤岩体综合柱状图如图1所示。

图1 煤岩体综合柱状图

该矿2号煤层主采2105工作面与2107工作面，目前已回采完，在工作面间留有25 m厚遗留煤柱；3号煤层主采3104工作面与3105工作面，工作面间运输巷道与回风巷道之间留有20 m厚遗留煤柱，巷道断面尺寸为宽×高=5.6 m×4.0 m，工作面位置关系如图2所示。

图2 工作面位置关系图

由图2可知，3号煤层3104运输巷道与3105回风巷道布置在上煤层遗留煤柱下方。通过现场观测，随着回采工作推进，3104运输巷道与3105回风巷道均出现了明显变形，主要表现为顶板下沉、底板底鼓及两帮向内鼓起，其中顶底板最大位移分别为856 mm与895 mm，煤柱帮与回采帮最大位移分别为765 mm与625 mm，巷道变形严重，对工作面安全回采构成了威胁。

2 上覆煤层底板破坏范围分析

上覆煤层回采过后，形成的采空区及遗留煤柱在采动应力影响下，会对其底板造成一定范围的破坏，导致下伏煤层破坏影响范围内的巷道发生变形甚至破坏，为了分析该矿上覆煤层遗留煤柱对下伏煤层巷道的影响，构建底板破坏力学模型如图3所示。对于底板破坏分区，可以分为塑性破坏区、应力转化区与应力承载区，如果下伏煤层巷道布置在该范围内，将对巷道造成不利影响。

图3 底板破坏力学模型

2.1 底板岩层破坏深度分析

对于底板最大破坏深度[7]，表达式如下：

(1)

其中：

(2)

式中：D为上覆煤层煤柱宽度，m；φ为岩层内摩擦角，°；α为采空区侧底边岩层破坏边界与水平面夹角，e为自然常数。

该矿上覆煤层遗留煤柱宽度为25 m，底板岩层内摩擦角为36°，将相关参数带入公式(1)，计算得到底板岩层最大破坏深度为55 m。由于两煤层间距为42.35 m，上煤层遗留煤柱所造成的破坏范围将会对下伏煤层巷道产生影响。

2.2 底板岩层水平破坏范围分析

受两煤层赋存条件的影响，下伏煤层巷道的布置深度无法改变，为此需要分析上覆煤层遗留煤柱及采空区对下伏煤层水平的破坏范围。

根据图3的力学关系，得到上覆煤层底板水平的破坏长度，计算式如下：

(3)

将相关参数带入公式(3)得，上覆煤层底板水平破坏长度为64.6 m。塑性破坏区边界与下伏煤层顶板交于C点，根据几何关系，AB=ACcotα，下伏煤层顶板破坏长度L1=L2-AB。其中，AC为两煤层间距42.35 m，计算得AB=17.8 m，最终得到L1=46.8 m。即下伏煤层巷道应布置在上覆煤层煤柱水平边界46.8 m以外，以避开遗留煤柱应力扰动对巷道稳定性的影响。

3 煤柱扰动数值模拟分析

为掌握上覆煤层遗留煤柱对底板应力传导特征，以及验证理论求解得到合理巷道位置的可靠性，研究采用数值模拟方法进行分析，根据矿山实际工程地质条件，采用FLAC3D数值软件进行建模。模型底部固定，四周约束水平位移，顶部施加垂直载荷等效于上覆岩层容重，煤岩体力学参数见表1。

表1 煤岩物理力学参数

3.1 遗留煤柱底板应力分布特征

针对上覆2号煤层，两侧采空条件下，遗留25 m厚煤柱对底板岩层的垂直应力分布情况如图4所示。可以看出，在采动应力影响下，遗留煤柱内部出现了明显的应力集中区域，最大垂直应力可达25.5 MPa，在采空区与煤柱接触位置存在一定深度的损伤卸压区，该位置垂直应力达5.5 MPa，同时垂直应力在煤柱下方位置向深部转移，下伏煤层所处位置应力最高可达12.5 MPa，超过了原岩应力5.3 MPa。

图4 底板岩层垂直应力分布图

数值获得的煤柱支撑压力变化情况如图5所示。可以看出，对于25 m厚煤柱宽度，支撑压力呈现“驼峰”形变化特征，在煤柱两帮距采空区边缘约5 m位置，支撑压力达到最高，为25.5 MPa，煤柱中心位置支撑压力较小，约为12.5 MPa，支撑压力峰值点间距离约为15 m。

图5 煤柱支撑压力变化曲线

综合分析，支撑压力由煤柱两帮位置向深部岩层传导，煤柱支撑压力传导至下伏煤层时，煤层所受垂直应力已超过原岩应力，必然会对应力影响区内下伏煤层巷道产生影响。

3.2 下伏煤层巷道合理位置分析

为进一步验证前述理论分析结果的可靠性，对上覆煤层遗留煤柱底板应力集中系数分布情况进行了模拟分析，结果如图6所示。可以看出，对于煤柱下方底板岩层，近似原岩应力区的边界位于下伏煤层顶板距煤柱边界水平距离约为45 m处，当巷道布置在该位置以外时，可保障巷道稳定。由于该矿下伏煤层3104运输巷道与3105回风巷道距上部遗留煤柱水平距离分别为10.5 m与41 m，即巷道在高应力影响范围内，导致巷道变形严重，下伏煤层巷道应布置在距上部煤柱水平距离45 m以外。同时，数值获得巷道合理布置位置与理论求解得到的46.8 m基本相近，进一步验证了理论求解的可靠性。