近距离煤层内错式开切眼合理错距的研究

李琛， 华心祝*， 常贯峰， 孙兵军， 杨森， 王恩乾

(1.安徽理工大学矿业工程学院， 淮南 232001； 2.山东科技大学土木建筑学院， 青岛 266580)

随着煤炭开采强度的增大，矿山压力的显现愈加明显，在近距离煤层开采活动中，上方煤层因开采过程产生的附加应力始终影响着下方回采巷道的布置。上部煤层开采后会对下部煤层在空间距离上产生不同程度的影响[1]。停采线煤柱留设过短，会对巷道稳定性造成影响，在开切眼的过程中，煤巷有产生片帮可能性，留设过长则会造成资源的损失，不利于煤炭安全高效回采[2-3]。因此，合理停采线位置的选取，是当前亟待解决的问题。

针对近距离煤层开切眼的选取问题，中外学者进行了大量的研究。张国军等[4]对木瓜矿上煤层开采后的底板破坏深度及支承压力影响范围进行了计算，并利用数值计算软件模拟了上煤层开采对下煤层的影响状况，通过对比分析最终确定了下煤层开切眼的合理布置位置。高士岗[5]和岳喜占等[6]通过多种数值模拟软件对采空区下开切眼掘进过程围岩及支护结构受力和变形情况进行模拟计算，同时对支护工艺及相关参数进行优化，通过现场围岩变形实测验证支护方案的可行性并成功应用。王寅等[7]为解决上煤层工作面推进至下煤层采空区开切眼附近底板下沉风险的问题，通过现场工程验证，采用理论分析和相似模拟方法，研究上行式开采重复采动下顶底板结构形态，得到覆岩破断机制，提出了针对性的防治措施[8]，保证了工作面的安全回采。汪北方[9]和张进鹏等[10]通过构建极近距离厚煤层综放工作面采空区顶板力学结构模型，揭示了极近距离厚煤层综放工作面开采房式采空区顶板破断失稳规律，并进行工程现场验证，基于此提出了加强支架初撑力、提高推进速度等有效防控措施[11]，较好地保障了工作面安全、高效回采。戴文祥等[12]研究了上覆煤柱集中应力在底板的传递特征，并得出在底板不同深度处，距离煤柱均布载荷越远，应力的分布范围越大，但影响程度越小的结论。孔德中[13]和杨继元等[14]针对近距离煤层群重复采动下端面冒顶这一难题，通过多种研究手段得出重复采动造成下位顶板裂隙比较发育，进而使得端面顶板失稳，且会出现不同程度的顶板来压现象，频繁来压易造成端面冒顶。基于此提出顶板超前加固的防治对策。孙兵军等[15]以刘庄煤矿120502切眼工作面为工程研究背景，采用数值计算软件对开切眼过程中应力分布规律进行探究,提出了对上覆采空区进行超前注浆处理与切眼断面加强支护的围岩控制对策，对解决近距离煤层下行开采采空区下开切眼围岩控制有一定的借鉴作用[16]。

上述研究成果，多针对停采线结构及煤层应力分布规律进行研究，鲜有研究分析不同距离下上覆煤层开采对下覆煤层开切眼的影响，缺乏对下煤层开切眼位置选取的整体性研究[17]。现以神东矿区某矿为工程研究背景，构建平面力学模型，通过数值模拟，分别探究距上覆煤层在不同水平错距下42煤层开切眼巷道的围岩应力环境，并结合现场地测雷达的实际观测验证，得到合理的停采线距离，使得42煤层开切眼可以安全使用。

1 工程概况

22206综采工作面布置于22煤二盘区，主采22煤，平均采厚4.6 m。平均埋深330 m，42202综放工作面布置于42煤二盘区，位于22煤下方66 m处，主采42煤，平均采厚6.3 m，平均埋深396 m，42煤和22煤的倾角1～3°，为近水平煤层。42上煤开切眼沿底板掘进，切眼为矩形断面，长×宽为5 m×3 m。根据地质资料钻孔得到42煤与22煤的煤岩层顶底板力学参数，如表1所示。

22煤开采后，在底板中形成采动应力，22煤停采线预留保护煤柱的附加应力将对42煤开切眼造成影响，研究42煤开切眼与22煤停采线空间位置关系及不同条件下的应力分布规律，有助于42煤开切眼位置布置的选取。22煤与42煤位置关系如图1所示。

表1 煤层顶底板岩石力学参数Table 1 Rock mechanics parameters of roof and floor of coal seam

图1 煤层位置关系图Fig.1 Coal seam position diagram

2 下煤层开切眼位置的研究

2.1 理论分析

设半平面体在其边界的AO段上受有分布力，它在各点的力等效为均布载荷q，为求出半平面体内某一点M处的应力，取坐标原点为O，设M点的坐标为(x0，y0)，对M点进项受力分析，计算模型如图2所示。

图2 力学计算模型Fig.2 Mechanical calculation model

则M点集中力的铅直和水平距离分别为x0和y0，因此在M点引起的应力为

(1)

式(1)中：q为分布应力；σx为沿x方向正应力；σ为沿y方向正应力；τxy为沿y方向切应力。

为了计算全部分布应力在M点引起的应力，将微小的集中应力进行叠加即可得

(2)

式(2)中：a为塑性区半径[3]。

(3)

式(3)中：M为煤层厚度；f为测压系数；φ为煤层内摩擦角；K为应力集中系数；γ为容重；τ0cotφ为煤体自撑力。根据钻孔资料及煤岩层力学参数，取岩层平均容重γ为25 kN/m3，按22煤煤层埋深330 m，42煤煤层埋深396 m计算，并选取式(2)中的应力分量σx作为拉应力，σy作为垂直应力进行分析22煤遗留煤层对42煤开切眼的影响。得到如图3所示的结果。

图3 应力曲线图Fig.3 Stress curve

从图3可以看出，开切眼距22煤水平错距为40 m时，σx为0.47 MPa，大于42煤煤层抗拉强度，σy的附加应力处于应力峰值位置，且切眼巷道的底角受到水平方向的拉应力较大，故在40 m处开切眼巷道处在较大的应力环境中，因此在此处布置切眼不合理。在距离停采线45 m时，σx为0.42 MPa，略小于42煤煤层抗拉强度，σx大于0.25 MPa，处在较高的垂直应力下，因此在距离45 m处布置开切眼也不合理。在距离停采线50 m距离下，σx为0.35 MPa，小于42煤煤层抗拉强度，σy小于0.25 MPa，没有产生明显的应力集中现象，因此，50 m水平错距可以作为42煤的开切眼。在此后的55 m、60 m距离下，σx、σy依次逐步减小，受上覆煤层开采的影响逐渐减弱，均可作为开切眼位置。但考虑到保护煤柱的留设，减少煤炭资源浪费等问题，开切眼的位置布置在距22煤停采线水平错距50 m处较为合理。

2.2 数值模拟

为进一步确定切眼布置的合理距离，根据煤岩层地质参数建立FLAC3D数值计算模型。模型长、高均为130 m。42煤切眼巷道为矩形断面，巷道断面尺寸分别为：宽度×高度=5 m×3 m。22煤工作面模拟沿走向方向开采距离105 m，42煤开切眼距22煤停采线分别模拟40、45、50、55、60 m 5种情况，42煤距22煤停采线法向距离为66 m，如图4所示。

根据数值计算模型，分别模拟42煤距22煤40、45、50、55、60 m的5种不同水平错距条件下42煤开切眼巷道的垂直应力分布情况，结果如图5所示。

图5 不同水平错距下切眼垂直应力分布Fig.5 Vertical stress distribution at different horizontal offsets

由图5可知，开切眼距22煤水平错距40 m时，受22煤煤体开采的影响，42煤切眼巷道的左帮产生应力集中现象，垂直应力约为12 MPa；距离45 m时，巷道左帮依然受其影响，但受影响范围减小；距离50 m时，巷道左帮的垂直应力减小到9 MPa左右，低于原岩应力；此后55 m、60 m距离下巷道所受应力均小于原岩应力。因此，为避开22煤开采的影响，42煤开切眼巷道距22煤停采线的水平错距为50 m时较为合理，与理论计算结果较为吻合。

在数值模拟过程中通对5种不同水平错距切眼巷道左帮的垂直应力进行监测，得到如图6所示的巷道垂直应力分布曲线，图6中水平距离表示数值计算模型的x方向，即从22煤停采线(25 m处)算起；竖直方向表示测帮所受的垂直应力；侧向分别表示5种不同距停采线距离的切眼巷道。

从图6中可以看出，42煤开切眼巷道在距离22煤停采线40 m时，巷道帮部所受的应力最大为12.8 MPa；45 m时最大应力为10.2 MPa，均大于原岩应力，在距离为50 m时，巷道帮部受到的最大应力为9.6 MPa，此距离下的应力近似于原岩应力，而在此后的55 m和60 m距离下所受到的最大应力分别为9 MPa和8 MPa，均小于原岩应力。因此，42煤开切眼巷道的布置位置距22煤停采线水平错距50 m时较为合理，既有利于巷道的维护，又可减少保护煤柱的留设，益于42煤的安全开采。

图6 巷道垂直应力分布曲线Fig.6 Vertical stress distribution curve of roadway

3 工程实践

3.1 巷道松动圈监测

为探究42煤开切眼巷道围岩裂隙发育情况及松动圈范围，选择开切眼巷道合理的位置进行测试，考虑到煤岩层的破碎情况及现场的施工条件，选取42煤煤层开切眼距离机巷50 m及100 m位置处，如图5中A、B两测试点，采用LTD-2100型探地雷达对切眼巷道的帮部和顶板进行扫描测试，进而得出松动圈厚度[18]。具体测试位置如图7中的A、B点所示。

图7 测试位置图Fig.7 Test location diagram

3.2 监测结果与分析

如图8所示，由A测试点扫描的巷道断面结果来看，巷道左帮松动圈厚度为3.8 m，顶板为3.0 m，帮部松动圈范围比顶部大0.4 m，破碎更为严重。

图8 A测试点巷道松动圈厚度Fig.8 A test point roadway loose circle thickness

如图9所示，由B测试点扫描的巷道断面来看，左帮松动圈厚度为3.3 m，顶板为3.1 m，相比于顶板，左帮松动圈边界范围大0.2 m。依然是左帮比顶板破碎范围大。

图9 B测试点巷道松动圈厚度Fig.9 B test point roadway loose circle thickness

通过A、B两处的测试结果得到：42煤层开切眼巷道松动圈范围在3.1～3.8 m，呈不规则分布，且不同位置处左帮的破碎范围均大于顶板，切眼巷道整体性较好，巷道裂隙发育程度较低，没有大面积的水平贯穿与纵向发育的裂隙，后期可通过一定的支护对巷道围岩进行有效控制。

4 结论

(1)通过建立力学分析模型，得到了受分析点的应力分量，并基于煤体稳定性判据，针对42煤开切眼距22煤停采线水平错距构建的理论解析解进行数学分析，确定了开切眼合理位置为50 m。

(2)采用FLAC3D数值模拟软件，分析了22煤遗留煤层距42煤层开切眼不同位置影响范围，得到水平错距分别为40 m、45 m时，切眼左帮会产生应力集中，煤体存在偏帮的潜在因素，不宜布置开切眼巷道，而在50 m及以后，巷道所受的应力集中现象逐步消除，但考虑到煤炭的采出率，切眼合理位置为距22煤停采线距离为50 m。

(3)从切眼巷道采用探地雷达进行现场实际测试结果来看，42煤切眼巷道两处观测点的塑性圈范围为3.1～3.8 m，选取50 m错距布置切眼较为合理，避开上覆遗留煤层产生的集中应力影响的同时减小了下工作面停采线的距离，有利于实现42煤的安全回采。