保护层下倾斜煤层回采巷道布置位置的研究

贺增源

(安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南 232001)



巷道支护理论与技术

保护层下倾斜煤层回采巷道布置位置的研究

贺增源

(安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南 232001)

煤层开采引起的应力集中会造成底板的破坏,底板应力场及破坏深度是决定近距离煤层巷道位置的重要因素。结合谢一矿4671B4工作面回采巷道的具体地质力学条件，采用滑移线场理论计算确定了上保护层B6煤开采后的最大底板破坏深度和上层煤柱塑性区影响范围。使用FLAC3D数值模拟软件分析不同位置下巷道围岩的力学特征及机巷和风巷的最大位移量，对工程实践中采用内错式的布置方式的合理性进行验证。

回采巷道；底板破坏深度；滑移线场理论；数值模拟

煤层开采后煤层底板在煤柱区应力一直处于上升状态,底板煤岩层处于压缩状态;而在采空区下方底板应力总是处于下降状态,底板煤岩体处于膨胀状态。岩体在煤柱边缘区内最易产生裂隙并发生破坏[1]。煤层距离较近时，上下煤层回采期间，相互影响较大。煤层倾角较大时，回采巷道支护困难，围岩控制不当易引发安全事故。因此在布置回采巷道时，应使回采巷道处于低应力区域，保障回采巷道在掘进回采期间能满足采面通风、行人、运输等要求[2]。

本文根据滑移线场理论[3-7]，计算确定了谢一矿B6煤开采后的煤层底板破坏深度和上层煤柱塑性区影响范围，在B4煤回采巷道布置时选择内错式的布置方式。使用FLAC3D数值模拟软件分析不同内错距离下巷道围岩的力学特征及机巷和风巷的最大位移量，验证了巷道布置位置的合理性，避免了巷道围岩的变形破坏[8-10]。

1　工程背景

谢一矿B4煤层倾角20～26°，平均24°，B6煤层倾角20～26°，平均24°，属于倾斜煤层。B6，B4煤层赋存较稳定，两层煤平均间距为22m。B6煤厚在0.6～2.6m之间，平均约为1.6m，直接底为砂质泥岩。 B4煤由B4a煤、B4b煤和夹杂的泥岩组成，平均厚度为3.8m，直接顶和直接底为砂质泥岩。4271B6最大采高为2.3m，采用全部垮落法管理顶板。4671B4工作面风巷布置在-600m标高，机巷布置在-660m标高。

该块段B4煤层为突出危险区，回采范围内上覆B6煤层作为保护层正在回采；在实际生产过程中，为了解决采掘接替的问题，B4煤层的机巷和风巷已掘进，B4煤落后于B6煤30m开始回采。目前，在工程实践中多采用工程类比的方法确定回采巷道的位置，回采巷道的位置布置不合理时，往往会产生严重的破坏，易发生安全事故，影响正常的生产。因此，保护层下倾斜煤层回采巷道合理位置的研究具有较为重要的意义。

2　理论计算

采空区底板下一定范围内的岩体，当采空区旁的煤柱或煤体作用在其上的支承压力达到或超过其临界值时，底板岩体产生塑性变形，形成塑性区；当支承压力达到或超过导致部分岩体完全破坏的最大承载能力发生破坏时，塑性区贯通，形成一个连续的滑移面。利用滑移线场理论，建立采空区下底板岩体破坏模型，如图1所示。

图1　滑移线场理论底板破坏深度计算

由图1推导得出底板屈服破坏深度h为：

(1)

(2)

(3)

由极限平衡理论计算煤壁塑性区宽度x0为：

(4)

由式(1)～(4)得出采空区底板岩层最大屈服破坏深度hmax为：

(5)

底板岩体最大破坏深度距煤体(柱)水平距离l1为：

l1=hmaxtanφf

(6)

采空区侧底板破坏区域沿水平方向长度l2为：

(7)

式中，M为采厚，m；应力集中系数k为2；上覆岩层的平均体积力γ为25kN/m3；采深H为620m；煤层黏结力C为1.25MPa；煤层内摩擦角φ为15°；煤层与顶底板摩擦系数f为0.27；三轴应力系数ξ为1.70；底板岩层内摩擦角φf为36.4°。

采高不同时，底板岩体破坏范围不同。结合谢一矿的B6煤层及底板岩体物理力学参数测试结果计算可得，采空区底板最大破坏深度为13.58m；极限平衡理论计算煤壁塑性区宽度x0为7.28m；底板岩体最大破坏深度距煤体(柱)水平距离l1为10.01m。在工程实践中B6与B4煤平均相距22m，B4煤回采巷道顶板受到B6煤开采扰动破坏的影响不大。

3　数值模拟

3.1计算模型的建立

根据谢一矿开采与地质力学条件，利用FLAC3D有限差分软件对B6煤采空区下4671B4工作面回采巷道的内错布置情况进行数值模拟分析，以确定其合理布置位置。考虑到计算需要，数值计算模型x方向上的长度为360m，y方向的长度为270m，z方向的长度为250m，模型中模拟的B6煤层厚度为1.6m，B4煤层厚度为3.8m，工作面倾斜长度180m，沿走向推进150m，网格数24596个,节点数28056个。工作面方向平行于x轴,推进方向为z轴,铅直方向为y轴。顶底板部分岩层岩性及物理力学参数见表1。

表1　数值计算中部分岩层物理力学参数

模型建立后，模型的4个侧面施加法向约束；顶部为自由边界，模型上部施加垂直载荷模拟上覆岩层的重量，使得模型在弹性状态下达到初始平衡状态，模型的本构关系为摩尔-库伦塑性本构关系，首先开挖B6煤层，然后开挖B4煤层风巷、机巷和切眼使其贯通，然后对工作面实施分步开挖，一步开挖10m。在数值模拟过程中，为使B4煤的回采巷道布置在B6煤层采空区下的应力降低区域，从B6煤保护煤柱正下方，将B4煤回采巷道的位置向采空区侧移动，每2m进行一次模拟。为消除边界影响，四周各留出50m，三维数值计算模型见图2。

图2　三维数值计算模型

3.2模拟结果分析

图3为机巷和风巷垂直应力分布云图局部放大。从图3中可以得出：机巷和风巷底板的应力与顶板和两帮的应力相比较低，因此机巷和风巷的顶板和两帮易发生破坏。机巷周围的应力大于风巷，这是由于开采的煤层为倾斜煤层，在风巷的右帮出现应力集中，因此风巷的右帮容易发生破坏。

图3　机巷和风巷垂直应力分布云图局部放大

图4为不同位置下机巷风巷保护层下倾斜煤层开采后机巷和风巷周围垂直应力分布的应力云图。从图4中可以看出，随着机巷和风巷向煤壁采空区一侧不断平移的过程中，机巷和风巷逐渐进入应力降低区，机巷和风巷的变形量也逐渐减少，这样有利于巷道的维护，减少巷道的支护费用，提高巷道的使用寿命和安全性。

图4　倾斜煤层开采后巷道周围垂直应力分布

图5为不同位置下风巷和机巷最大变形量变化曲线。从图5可以得出，在机巷和风巷向采空区侧平移的过程中，可以得出机巷和风巷在12～24m进入应力降低区。在工程实践中，在保障安全的前提下，为了保证工作面的长度，提高煤炭的采出率，选择将风巷布置在煤壁采空区一侧10～15m的范围内，与理论计算和数值模拟的结果相符合。

图5　风巷和机巷最大变形量变化曲线

4　结　论

(1)保护层下倾斜煤层回采巷道在煤层回采过程中机巷周围围岩应力明显大于风巷，这是由于煤层的倾角较大，造成风巷和机巷周围的应力分布不同。因此两巷在选择巷道支护设计方案时应该区别对待，保证煤矿生产安全经济高效。

(2)机巷和风巷底板的应力与顶板和两帮的应力相比较低，因此机巷和风巷的顶板和两帮易发生破坏。在风巷的右帮出现应力集中，故而风巷的右帮容易发生破坏。因此，风巷的支护重点是顶板和两帮，机巷支护时尤其要加强右帮支护。

(3)在理论计算中，当B6煤采高为1.6m时，采空区底板最大破坏深度为13.58m，底板岩体最大破坏深度距煤柱(体)水平距离为10.01m，B6与B4煤相距22m，B4煤回采巷道顶板不会受到扰动破坏的影响。结合数值模拟的结果，B4煤回采巷道在12～24m范围内变形量较小，因此在巷道布置时要综合考虑现场地质条件和经济效益等因素，现场选用在内错10～15m的范围内布置回采巷道，与理论计算和数值模拟的结果相符合。

[1]肖福坤，段立群，葛志会.采煤工作面底板破裂规律及瓦斯抽放应用[J].煤炭学报，2010，35(3)：417-419.

[2]潘卫东，任志成，孔德中，等.大倾角煤层回采巷道的矿山压力研究[J].煤矿安全，2014，45(3)：35-37.

[3]孟祥瑞，徐铖辉，高召宁，等.采场底板应力分布及破坏机理[J].煤炭学报，2010，35(11)：1832-1836.

[4]姚宝珠.采空区下回采巷道围岩破坏机理及控制技术[D].北京：中国矿业大学(北京)，2014.

[5]关英斌，李海梅，路军臣.显德汪煤矿9号煤层底板破坏规律的研究[J].煤炭学报，2003，28(2)：121-125.

[6]汪国华.近距离上保护层开采卸压范围及临界层间距研究[D].焦作：河南理工大学安全科学与工程学院，2011.

[7]孙 建.倾斜煤层底板破坏特征及突水机理研究[D].徐州：中国矿业大学，2011.

[8]钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.

[9]肖福坤，卢高明，申志亮，等.深部矿井倾斜煤层采空区下回采巷道布置的数值模拟[J].黑 龙 江 科 技 学 院 学 报，2013，23(6)：505-509.

[10]张海韦，张农，阚甲广，等．采空区下软煤层回采巷道围岩稳定性控制技术[J]．煤炭科学技术，2010，38(8)：25-29.

[责任编辑：王兴库]

Layout Position Studying of Mining Roadway with Inclined Coal Seam under Protective Layers

HE Zeng-yuan

(Energy and Safety School，Anhui University of Science & Technology，Huainan 232001，China)

The floor could be destroyed by stress concentration that caused by coal seam mining，floor stress filed and destroyed depth were the main factors，which decided roadway position under contiguous seams，with the geological situation of mining roadway of 4671B4 working face in Xieyi coal mine，the maximal destroyed depth and plastic influenced scope of upper coal pillar was determined by slip line field theory after upper protective layer B6 coal seam was mined.The mechanical characters of surrounding rock under different positions and the maximal displacement of air roadway were analyzed by software FLAC3D，then the reasonable of internal misaligned arrangement was verified by practical in filed.

mining roadway；floor destroyed depth；slip line field theory；numerical simulation

2016-04-18

国家自然科学基金(51374013)；高等学校博士点基金(20133415110006)；霍英东教育基金( 121050 ); 安徽省科技攻关计划项目(1604a0802107); 高校优秀拔尖人才培育资助项目(gxbjZD2016051)；安徽高校科研平台创新团队建设项目; 安徽省学术和技术带头人及后备人选学术科研活动资助经费

贺增源(1991-)，男，湖南永州人，在读研究生，主要从事矿山压力及其控制和巷道支护方面的研究。

TD263.1

A

1006-6225(2016)05-0040-04

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.05.012

[引用格式]贺增源.保护层下倾斜煤层回采巷道布置位置的研究[J].煤矿开采，2016，21(5)：40-43.