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近距離煤層回采巷道合理布置研究

文檔作者：于濤文檔來源：鄭州煤炭(工業(yè) )集團(tuán) 新鄭煤電公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年03月17日
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2014年第 39卷第 1期V01．39 No．1能 源 技 術(shù) 與 管 理Ener~ Technolo~ andMan ~ ementdoi：10．3969~．issn．1672-9943．2014．O1．011(!}距 離爆層 回采巷 舍理 置研 宓于 濤(鄭州煤炭(工業(yè) )集 團(tuán) 新鄭煤 電公司，河南 新鄭 451100)[摘 要 ] 為解決近距 離煤層聯(lián)合開采下位煤層回采巷道的合理布置難題 ，結(jié)合某煤礦 31101工作 面和 11201工作 面實(shí)際情況，建立巷道 圍巖穩(wěn)定性分析的二維數(shù)值計(jì)算模型 ，詳細(xì)模擬分析 了31101工作面開采后底板垂直應(yīng)力分布規(guī)律及 11201工作 面回采巷道處于不 同位置時(shí)的巷道 圍巖位移分布規(guī)律。分析結(jié)果表明：11201軌道平巷應(yīng)內(nèi)錯(cuò) 31101工作面 35m左右布置 ，11201運(yùn)輸平巷應(yīng)外錯(cuò) 31101工作面 70m左右布置時(shí)，不僅能夠使巷道所處應(yīng)力環(huán)境較為有利 ，而且巷道 圍巖變形較為對稱 ，避免支架承載過程 中處于偏載狀態(tài)，影響支架承載性能。[關(guān)鍵詞 ] 近距 離煤層 ；回采巷道 ；合理布置；數(shù)值模擬[中圖分類號 ]TD263．53[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ]B [文章編號]1672_9943(2014)01 029 31 工程概 況某 礦 主采 二 煤 和二 煤 ，兩 煤層 間距 在11．2～19．8m之間 ，屬近距離煤層 ，采用聯(lián)合開采方式。其中二 。煤的 31101工作面位于 31采區(qū)東翼最下部 ，東鄰二 煤層不可采 區(qū)域 ，西鄰工業(yè)廣場保護(hù)煤柱 ，南鄰采 區(qū)邊界保護(hù)煤柱 ，北鄰 31103工作 面。31101工作 面煤層厚度在 0．2—2．2m之間 ，采用綜合機(jī)械化開采 ，位于其下部的二 。煤11201工作 面軌道平巷 內(nèi)錯(cuò) 31101工作面 20m，采用 u型鋼支架支護(hù)。二 ，煤層工作面回采巷道為半煤巖巷 ，巷道在 回采期間不僅變形較大 ，而且受其影響下部二 。煤層工作面回采巷道大多嚴(yán)重變形 ，工作面回采期間為滿足使用斷面要求不得不進(jìn)行大面積擴(kuò)修 ，始終難以從根本上解決多煤層聯(lián)合開采所面臨的支護(hù)難題[1]。因此 ，亟需針對該礦地質(zhì)采礦條件 ，研究近距離煤層聯(lián)合開采條件下二 煤層回采巷道的合理布置位置。2 二 。煤層開采底板 圍巖穩(wěn)定性分析2．1 數(shù)值 模 擬分析2．1．1 數(shù)值模型的建立結(jié)合 31101工作 面和 11201工 作面 實(shí)際情況 ，建立巷道 圍巖穩(wěn)定性分析的二維數(shù)值計(jì)算模型 ，綜合考慮各方面因素，數(shù)值模擬模型尺寸(長×高 )為 ：370mxl00m。模型水平方向及底邊界 ，邊界條件為位移邊界 ，模型頂邊界可以為應(yīng)力邊界或無邊界條件限制。模型水平邊界為固定邊界 ，上邊界為應(yīng)力邊界 ，綜合考慮計(jì)算機(jī)模擬時(shí)效 ，模擬過程中進(jìn)行適 當(dāng)簡化 以在模 型的頂部加 7．5MPa的等效載荷方式 ，代表約 300m厚的上覆巖層。模型計(jì)算采用莫爾一庫侖屈服準(zhǔn)則 。2．1．2 數(shù)值模擬結(jié)果分析上部二 ，煤層工作面 回采后 ，距二 ，煤層底板不同深度的底板 圍巖中垂直應(yīng)力分布狀況如圖 1所示 。乏蜘圃世O 5 1O 15 20 25 3O 35 40 45 50與煤壁水平距離／m圖 1 采空區(qū)下方不 同深度處底板圍巖垂直應(yīng) 力分布圖從 圖 1可知 ，工作面開采后在頂板破斷 、回轉(zhuǎn)過程 中，在距煤柱邊緣 0—10m的采空區(qū)下方的底板巖層 中形成低應(yīng)力區(qū)。在距二 。煤層水平距離 2m垂直距離 5m的底板圍巖 中 ，最小垂直應(yīng)力僅 0．75MPa，當(dāng)距煤柱水平距離不變而底板深度加大到 10m、15m和 20m時(shí) ，垂直應(yīng)力分別為 2．97MPa、6．41MPa和 7．70MPa，分 別 增 長296％、754％和 936％。可見隨著底板深度增加 ，底板圍巖垂直應(yīng)力呈非線性增加趨勢 ，并逐步恢復(fù)至原巖應(yīng)力。而距煤柱 lO一35m采空區(qū)下方的底6 4 2 0 8 6 4 230 于 濤 近距離煤層 回采巷道合理布置研究2014年 2月Feb．．2014板圍巖垂直應(yīng)力分布則正好相反 ，距煤層底板越近垂直應(yīng)力水平越高，但整體而言該區(qū)域內(nèi)的垂直應(yīng)力水平分布特征較為相近 ，當(dāng)與煤柱邊緣距離達(dá)到 50In后基本恢復(fù)至原巖應(yīng)力水平。同時(shí)，工作面開采后在煤柱側(cè)的底板圍巖應(yīng)力也重新分布 ，隨著與采空區(qū)邊緣距離增加 ，距采空區(qū)邊緣水平距離 0—15In范圍內(nèi)的底板 圍巖垂直應(yīng)力急劇增加，并在煤柱內(nèi)則形成 了較高的集中應(yīng) 力。一 lOO 一80 -60 —40 —2O與煤壁水平距離／m罷悄j醒蠼圖 2 煤柱下方不同深度處底板圍巖垂直應(yīng) 力分布 圖由圖 2可見 ，煤柱 內(nèi)的峰值應(yīng)力約17．5MPa。峰值位置大致位于距煤柱邊緣水平距離約 25in處 。根據(jù) 3l采區(qū)的地質(zhì)條件 ，31101工作面埋深約 3501TI，上覆巖層平均容重 ，則該處原巖垂直應(yīng)力約 8．75MPa，得到二 ，煤層工作 面開采后煤柱 內(nèi)的最大應(yīng)力集 中系數(shù)約為 2．0。2．2 理論計(jì)算分析工作面開采過程中，會(huì)在周圍煤柱內(nèi)產(chǎn)生幾倍于原巖應(yīng)力 的支承壓力[。為了分析方便 ，可將煤柱載荷簡化為均布載荷 ，根據(jù)彈塑性力學(xué)模型計(jì)算可得 ]：煤體邊緣塑性區(qū)寬度 ：h 等式中 ，m為煤層厚度 ，m；n為最大應(yīng)力集 中系數(shù) ； 為上覆巖層平均容重 ，N／m ；日為開采深度 ，m；Ca為煤層 內(nèi)聚力 ，MPa；~ 為煤層 內(nèi)摩擦 角 ，(。)；1=(1+sin )／l—sin~p。底板巖體 的最大塑性區(qū)深度 h。：Q eI2cosql"-+芋)式中，。為底板巖體內(nèi)摩擦角 ，(o)。采空區(qū)內(nèi)底板最大破壞深度距采空區(qū)邊緣的距離 Z，：／l=hltg~po采空區(qū)內(nèi)底板巖體塑性 區(qū)的分布長度 z：12=x~tgf}+取二 。煤層物理力學(xué)參數(shù)為 ：粘聚力 1．2MPa，內(nèi)摩擦 角 22。。平均采厚 1．51TI，煤層實(shí)際埋深350In。計(jì)算覆巖平均容重 25000N／m3~,根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果 ，最大應(yīng)力集中系數(shù)為 2。將上述參數(shù)代人計(jì)算可得 =14．6In，h=34．6In，f=20．113_，／2=59．6in。結(jié)合以上計(jì)算結(jié)果可知 ，由于二 煤層與二煤層最大層間距不足 20in，二 煤層開采過程中形成的底板破壞帶直接波及二。煤層 ，同時(shí)因 目前11201工作面軌道平巷內(nèi)錯(cuò) 31101工作 面 20in布置 ，使得 11201工作面軌道平巷恰好處于上部31101工作 面開采形成 的最 大破壞深 度范 圍附近 ，對 11201工作面軌道平巷圍巖穩(wěn)定性不利。3 二 ，煤層回采巷道合理位置數(shù)值模擬分析11201軌道平巷內(nèi)錯(cuò) 31101工作 面不 同距離時(shí) ，巷道最大變形量的變化情況如圖 3所示 。36og 32028o2402000 l0 20 30 40 50 60內(nèi)錯(cuò)距離／m圖 3 11201軌道平巷內(nèi)錯(cuò) 311O1工作面不 同距離時(shí)巷道最大 變形量由圖 3可知 ，隨著11201軌道平巷 內(nèi)錯(cuò)距離的不斷增大，巷道最大變形量呈現(xiàn)先降低、后增大、再降低、最后趨于平穩(wěn)的變化過程。其中，l1201軌道平巷 內(nèi)錯(cuò)31101工作面 5in、35In時(shí) ，巷道最大變形量均較小，分別只有 271mm、261mm。但受 31101工作 面開采 形成 的整體位 移場 影 響 ，11201軌道平巷內(nèi)錯(cuò)31101工作面 5m時(shí) ，巷道左幫圍巖位移量 明顯大于右?guī)?，巷道 圍巖變形呈非對稱性 ，這對巷道圍巖穩(wěn)定性極為不利 ；當(dāng)內(nèi)錯(cuò)距2014年第 39卷第 1期Vo1．39 No．1能 源 技 術(shù) 與 管 理Ener~ Technolo~ andMan~ement 31離增大到 35m時(shí) ，巷道兩幫 圍巖位移 的非對稱性明顯降低 ，如圖 4所示 。(a)內(nèi)錯(cuò) 5m距離(b)內(nèi)錯(cuò) 35m 距 離圖 4 11201軌道平巷 內(nèi)錯(cuò) 311O1工作面不同距離 時(shí)巷道圍巖位移分布 圖隨著 11201運(yùn)輸平巷外錯(cuò)31101工作面距離的不斷增 大 ，11201運(yùn)輸平巷的最大變形量 逐漸減小 ，如圖 5所示。至司到鼙制20 3O 4O 5O 60 70 80 90外錯(cuò)距離／m圖 5 11201運(yùn)輸平巷外錯(cuò) 31101工作面不 同足巨離時(shí)巷道最大變形量11201運(yùn)輸平巷外錯(cuò) 50m布置時(shí) ，巷道圍巖最大位移量約 314mm，相對外錯(cuò) 25m布置時(shí)減小約 52％；11201運(yùn)輸平巷外錯(cuò) 70m布置時(shí) ，巷道圍巖最大位移量約 233mm，相對外錯(cuò) 50m布置時(shí)減小約 26％；隨著 l1201運(yùn)輸平巷外錯(cuò)距離的進(jìn)一步增大，巷道最大變形量雖有減小 ，但減小幅度只有 6％。4 結(jié) 論(1)3l101工作面開采后 ，煤 柱內(nèi)峰值應(yīng)力位置位于距采空 區(qū)邊緣 25m處附近，11201工作面運(yùn)輸平巷應(yīng)避開該處布置 ；當(dāng) l1201運(yùn)輸平巷外錯(cuò)距離達(dá)到 70m以上時(shí)，巷道 圍巖位移量基本趨于穩(wěn)定。(2)31101工作 面回采期間 ，11201軌道平巷內(nèi)錯(cuò) 31101工作 面距 離在 0～5m、15—20m之 間時(shí) ，巷道圍巖變形量最大 ，布置時(shí)應(yīng)避開該區(qū)域 ；當(dāng)內(nèi)錯(cuò)距離在 5～10m之 間時(shí) ，雖然巷道 圍巖變形量較小 ，但受 31101工作面開采形成的整體位移場影響，巷道 圍巖變形非對稱性極為 明顯 ，對支護(hù)承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性極為不利；當(dāng)內(nèi)錯(cuò)距離達(dá)到35m以上時(shí)，巷道圍巖位移量基本趨于穩(wěn)定 ，并不隨內(nèi)錯(cuò)距離增加而顯著減小。(3)從減小 31101工作面回采期 間巷道 圍巖變形量 角度 出發(fā) ，11201軌道平巷 應(yīng) 內(nèi)錯(cuò) 31101工作 面 35m 左右布置 ，11201運(yùn)輸平巷應(yīng)外 錯(cuò)31101工作面 70m左右布置；此時(shí) ，不僅能夠使巷道所處應(yīng)力環(huán)境較為有利 ，而且巷道圍巖變形較為對稱 ，避免支架承載過程中處于偏載狀態(tài)而影響支架承載性能。[參 考 文 獻(xiàn)][1]高飛鵬 ，魯軍 ．復(fù)合頂 板煤巷 圍巖控 制技術(shù)實(shí) 踐 [J]．能源技術(shù)與管理 ，2011(2)：74—75．[2]陳炎光 ，陸士良．中國煤礦巷道圍巖控制[M]．徐州：中國礦業(yè) 大學(xué) 出版社 ，1994．[3]張金才，張玉卓．巖體滲流與煤層底板突水 [M]．北京 ：地質(zhì)出版社，1997．[作者簡介]于濤(1988一)，男，助理工程師，畢業(yè)于河南理工大學(xué)采礦工程專業(yè) ，現(xiàn)從事煤礦掘進(jìn)技術(shù)管理工作。『收稿 日期 ：2013—08—16]

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