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金能煤业采空区下回采巷道合理位置设计

2024-11-04 58 上传者：管理员

摘要：针对金能煤业2号煤层及3号煤层间距较小，2号煤层回采后，如何合理布置3号煤层回采巷道的问题进行了研究。综合采用理论分析及数值模拟的方法，分析了2号煤层回采后底板煤岩层应力分布及塑性区发育范围。并对3号煤层回采巷道内错10 m、20 m、30 m、40 m四种工况条件下巷道围岩应力分布及塑性区范围进行了模拟分析，最终确定3号煤层回采巷道合理的内错距离为10～15 m.

关键词：
塑性区范围
巷道掘进
煤炭资源
矿井
近距离煤层
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虽然近年来，太阳能、风能等新型能源发展迅猛，但是煤炭资源仍占据我国消费能源结构的主导地位，是保证我国社会、经济发展的压舱石[1-2]。经过多年来高强度的开采，不少矿井均面临采空区下巷道掘进困难的问题。诸多学者针对采空区下巷道布置进行了分析研究。郝登云等[3]对孙家沟煤矿特厚煤层采空区下巷道围岩变形机理进行了分析；康官先等[4]以场论理论为基础，采用数值模拟的方法分析了嘉乐泉8号煤采空区下回采巷道的合理位置并进行了现场试验；王震等[5]为解决淮南煤矿急近煤层采空区下巷道支护问题，采用数值模拟及现场实测等方法，分析了围岩变形机理并制定了相应的支护方案，取得了良好的现场效果。本文以金能煤业为工程背景，对此问题进行分析。

1、工程概况

金能煤业目前主采3号煤层，煤层平均厚度2.73 m, 3号煤层上方顶板岩层依次为均厚0.5 m的炭质泥岩、均厚4 m的砂质泥岩、均厚3.13 m的2号煤层、均厚2.4 m的泥岩和均厚3.0 m的石灰岩，底板岩层依次为均厚3.0 m的砂质泥岩和均厚7.2 m的泥岩。3号煤层及其顶底板岩层厚度如表1所示。

目前主采的3号煤层与上覆2号煤层平均间距为4.5 m, 间距较小且2号煤层已基本回采完毕，目前计划掘进的30303运输巷上方就存在2号煤层采空区，增加了30303运输巷围岩控制难度，需要对30303运输巷布置位置及支护方案进行专项设计。

表1 3号煤层及其顶底板岩层厚度

2、方案设计

为了解2号煤层回采后下覆底板岩层应力分布及破坏范围，借助FLAC3D数值模拟软件，根据金能煤业3号煤层地质条件构建数值模型。

按照金能煤业3号煤层地质赋存条件构建数值模型，模型尺寸为110 m×100 m×45 m, 为还原上覆岩层自重应力对采场的影响，在模型上表面施加6 MPa的垂直应力，其余各表面均施加位移约束。

2.1 2号煤层回采后应力分布及塑性区发育范围

为了解2号煤层回采后围岩应力分布特点，在模型中2号煤层、2号煤层底板岩层、3号煤层、3号煤层底板岩层各布置1条应力监测线，如图1所示。3号煤层及其顶底板岩层物理力学参数如表2所示。

图1 模型应力测线布置

表2 3号煤层及其顶底板岩层物理力学参数

2号煤层回采过程中，采场应力重新分布，随着上覆岩层不断破断、下沉，垂直应力向采空区边缘实体煤方向转移，在采空区边缘实体煤侧形成一定范围的应力集中区域。数值模拟结果显示：2号煤层回采前，采场围岩垂直应力值为6.7 MPa; 当2号煤层回采后，采场上覆垂直应力向采空区边缘实体煤方向转移，在距离巷帮3～5 m区域形成应力集中区，垂直应力峰值为16.26 MPa, 应力集中系数约为2.43.

2号煤层回采后，布置在2号煤层底板岩层的应力监测线3,布置在3号煤层的应力监测线2以及布置在3号煤层底板岩层的应力监测线1所监测得到的应力值如图2所示。

图2 2号煤层回采后底板煤岩层应力分布

如图2所示，2号煤层回采后采空区上覆岩层侧向支承压力向采空区边缘实体煤方向转移，在距离采空区边缘一定范围内的实体煤形成应力增高区，2号煤底板岩层及3号煤相应位置同样出现了应力增高区，应力值为10.2～12.7 MPa.工作面回采后，采空区边缘一定范围煤体处于塑性破坏状态，在上覆岩体结构的支撑作用下，所受承载力较小，因此在采空区边缘至应力增高区约25 m范围，因开采卸载的影响存在一个应力降低区。

当2号煤层回采后，不同位置底板煤岩层受采动影响并不相同。在2号煤层采空区下方煤岩层距离采空区边缘25 m范围内，得益于上覆破断顶板岩层的支撑作用，所受2号煤层回采破坏较小，底板煤岩层塑性区发育范围仅为1～3 m.在2号煤层采空区下方距离采空区边缘25～55 m范围内的煤岩层，所受2号煤层回采破坏较大，底板煤岩层塑性区发育范围为5～7 m, 塑性区破坏范围最大可达7.4 m, 3号煤层已处于塑性破坏范围内。

综上所述，2号煤层开采后下方煤岩层应力分布及塑性区分布范围呈现出较大的差异，在距离采空区边缘25 m范围内，由于上覆岩层的支撑作用，底板煤岩层处于应力降低区，塑性区发育范围也较小，仅为1～3 m, 而在距离采空区边缘25 m范围以外时，2号煤层底板煤岩层所受应力及塑性区范围均明显增大，在此区域3号煤层所受2号煤层的采动影响更大。

2.2 采空区下方回采巷道位置选择

根据前述研究成果，借助数值模拟软件对2号煤层采空区下方3号煤层回采巷道位置进行分析，对3号煤层回采巷道内错距离分别为10 m、20 m、30 m、40 m四种工况条件下，巷道围岩应力分布及塑性区发育范围进行分析研究。

由于回采巷道尺寸较小，巷道掘进对围岩应力分布的影响并不是很大。当3号煤层回采巷道内错10 m开挖时，巷道处于应力降低区范围内，巷道掘进过程中采场垂直应力向巷道两侧深部煤岩体转移，巷道围岩整体应力值均处于低位态，基本未超过2 MPa; 当3号煤层回采巷道内错20 m开挖时，巷道处于应力降低区与原岩应力区临界位置，巷道围岩受整体应力分布的影响，巷道左帮靠近原岩应力区，因此围岩应力较高，垂直应力峰值为8.92 MPa, 巷道右帮靠近应力降低区，因此围岩应力较低，垂直应力保持在2 MPa以下；当3号煤层回采巷道内错30 m开挖时，巷道基本处于2号煤层采空区垮落矸石支撑煤岩体下方，巷道开挖前此处围岩应力略大于原岩应力，巷道开挖后两帮应力明显增大，垂直应力峰值为6.57 MPa, 巷道底板岩层应力增大幅度较小，而巷道顶板岩层应力有所降低，而且由于巷道右帮距离应力降低区更近，因此巷道掘进过程中整体应力呈现左帮大于右帮的分布特征；当3号煤层回采巷道内错40 m开挖时，巷道基本处于2号煤层采空区垮落矸石支撑区与原岩应力区的临界位置，巷道开挖前围岩基本为原岩应力状态，巷道开挖后，巷道两帮及底板围岩应力均有所增大，而顶板岩层应力有所降低。

当3号煤层回采巷道内错10 m开挖时，巷道掘进过程中顶板岩层塑性区范围为2.4 m, 左帮塑性区范围为2.0 m, 右帮塑性区范围为3.0 m, 底板塑性区范围为2.0 m; 当3号煤层回采巷道内错20 m开挖时，巷道掘进过程中顶板岩层塑性区范围为2.4 m, 右帮塑性区范围为2.0 m, 底板塑性区范围为2.0 m, 左帮围岩塑性区与2号煤层回采后底板煤岩层形成的塑性区相连；当3号煤层回采巷道内错30 m和40 m开挖时，巷道布置在2号煤层回采后形成的塑性区范围内，随着巷道的掘进，巷道围岩塑性区范围进一步扩大。由于塑性区范围内围岩力学性质较差，从巷道支护的角度考虑，3号煤层回采巷道应布置在内错25 m范围以内，以避免巷道进入2号煤层回采后形成的塑性区范围。考虑到3号煤层巷道在内错20 m布置时，巷道掘进后左帮围岩形成的塑性区与2号煤层回采后在底板煤岩层形成的塑性区连为一体，因此设计3号煤层回采巷道合理的内错距离应为10～15 m.

3、结语

本文以金能煤业为工程背景，针对其2号煤层及3号煤层间距较小，2号煤层回采后如何合理布置3号煤层回采巷道的问题进行了研究，采用理论分析、数值模拟的方法得到了以下结论：

1) 2号煤层开采后在距离采空区边缘25m范围内，底板煤岩层处于应力降低区，塑性区发育范围也较小，仅为1～3 m, 而在距离采空区边缘25 m范围以外时，2号煤层底板煤岩层所受应力及塑性区范围均明显增大。

2) 当3号煤层回采巷道内错10m开挖时，巷道围岩整体应力值均处于低位态，基本未超过2 MPa, 围岩塑性区范围在2.0～3.0 m; 当3号煤层回采巷道内错20 m开挖时，左帮靠近原岩应力区，垂直应力峰值为8.92 MPa, 巷道右帮靠近应力降低区，垂直应力保持在2 MPa以下，巷道左帮塑性区与2号煤层开采形成的塑性区连为一体；当3号煤层回采巷道内错30 m和40 m开挖时，巷道位于2号煤层回采后形成的塑性区范围内，均呈现巷道两帮及顶板岩层应力高于原岩应力，而底板岩层应力低于原岩应力的特点。

3) 综合考虑，3号煤层回采巷道合理的内错距离为10～15m.

参考文献:

[1]李军,乔中鹏,刘治中,等.煤炭资源开发管理现状分析及对策建议[J].中国煤炭,2023,49(9):1-6.

[2]胡超文,王俊虎,何满潮,等.中厚煤层切顶卸压无煤柱自成巷技术关键参数研究[J].煤炭科学技术,2022,50(4):117-123.

[3]郝登云,吴拥政,陈海俊,等.采空区下近距离特厚煤层回采巷道失稳机理及其控制[J].煤炭学报,2019,44(9):2 682-2 690.

[4]康官先,孔宪法,康天合,等.采空区下极近距离煤层回采巷道合理位置的研究[J].煤矿安全,2013,44(5):210-213.

[5]王震,娄芳,金士魁,等.极近距离煤层采空区下回采巷道位置及围岩控制研究[J].煤炭工程,2020,52(2):1-4.

文章来源:闫跃文.金能煤业采空区下回采巷道合理位置设计[J].煤,2024,33(11):70-72.