厚煤层分岔区下分层回采巷道位置选择

2020-05-13秦忠诚刘永乐张玉柏刘利宁

山东科技大学学报(自然科学版) 2020年3期

秦忠诚，聂旺，刘永乐，张玉柏，刘利宁

(1. 山东科技大学能源与矿业工程学院，山东青岛 266590； 2. 兖矿集团南屯煤矿，山东邹城 273515)

近年来煤炭的储蓄量日益减少，采深逐渐增大，煤矿开采面临的技术挑战越来越大。煤炭开采过程中常见厚煤层分岔现象，上分层开采容易对分岔区夹矸层与下分层造成影响，使其发生一定程度的损坏，从而造成下分层内回采巷道的布置较为困难[1-4]。因此，有必要对分岔区下分层回采巷道的位置选择进行研究。康官先等[5]利用数值模拟等手段对采空区下极近距离煤层回采巷道的布置进行了研究，指出回采巷道位置应远离采空区下高应力区。孔德中等[6]采用理论分析等手段研究了近距离煤层的回采巷道布置，提出下位煤层回采巷道位置应该遵循避开压力影响区的原则。刘家成[7]利用数值模拟和理论计算对厚煤层分层开采巷道的合理位置进行了研究，得出巷道布置应为内错式且内错距为8 m。张学亮[8]利用数值模拟和理论分析对厚煤层下分层巷道位置的布置进行了研究，得出下分层回采巷道错距应为4 m。

以上研究成果对厚煤层回采巷道的位置选择起到了重要的指导作用，但鲜有涉及厚煤层分岔条件下的下分层回采巷道位置选择的研究，同时不同的采矿条件下，影响巷道布置的关键因素与巷道稳定性控制方法难以获得统一结论。因此，借鉴众多学者的研究成果[9-13]，针对厚煤层分岔区下分层的回采巷道位置选择的问题展开研究。首先采用扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)和MTS815.03电液伺服岩石试验系统分别对夹矸顶板试样的微观结构和煤层的物理力学特征进行分析。然后采用FLAC3D对下分层不同的回采巷道位置下3上煤层残余小煤柱的应力集中情况、巷道位移量和塑性区分布特征进行研究，从而确定下分层回采巷道的最优位置。最后，通过现场巷道位移监测对以上研究结果进行检验。

1 工程背景

某矿9采区主采3煤层为近水平煤层，煤层结构简单，以亮煤为主，夹暗煤及镜煤条带，煤层普氏硬度f=2～3。3煤中间为发育不均匀厚度的夹矸，厚度1～13 m，夹矸主要为泥质胶结粉砂岩，裂隙发育。3上煤层已开采，3下煤层厚度3.81～3.16 m。3下煤层回采巷道的分岔区夹矸顶板受3上煤层采动的影响，夹矸整体稳定性差，所以3下煤层回采巷道位置的选择非常困难。

2 夹矸层和3下煤层受采动影响破坏分析

2.1 夹矸的微观结构与破坏特征

采用SEM研究了采场夹矸顶板岩样的微观形貌结构，样品扫描结果如图1所示。从试样微孔结构看出，3下煤层夹矸顶板颗粒中含有微孔隙和微裂隙(最大孔隙尺寸为10 μm×20 μm)，围岩裂隙比较发育，为不连续的块裂状。微孔隙和微裂隙的存在，为煤体的裂隙膨胀提供了基础。

2.2 3下煤层夹矸顶板及煤层力学性能测试

煤样取自9采区3下煤层12工作面(简称93下12工作面)，上、中、下各取3块，共9块。夹矸取自93下12工作面运输巷设计停采线以上30 m，共15块。煤岩样采取后进行了必要的包装和石蜡封装以防风化，经实验室切割后制成标准试件，进行MTS力学试验，结果见表1。

表1 3下煤顶板岩石物理力学性能试验结果表

3 3下煤层回采巷道布置方式选择

受3上煤层采动影响，3煤层夹矸层裂隙较发育。因此，在布置夹矸下分层回采巷道时必须遵循以下原则：避开因3上残留煤柱生成的支承压力影响区；尽可能多回收煤炭资源。

图2 下煤层回采巷道内错布置示意图

如图2所示，采用内错布置方式在3上煤层采空区下布置3下顺槽，使之位于上煤层回采后的采空卸压区内，同时可以采用留窄小煤柱沿空掘巷的方式减小区段煤柱的尺寸。

3.1 数值模型的建立

为了合理选择3下煤层回采巷道的位置，同时为巷道的支护提供参考依据，使用FLAC3D对无支护条件下巷道的稳定性进行分析。建立数值模型如图3所示，模型尺寸为：长×宽×高=310 m×40 m×60.5 m，夹矸厚度为10 m，各层物理力学参数如表2所示。模型东、西、南、北以及底部边界固定法向位移，把原始的上部岩层重力施加到模型顶端，即γH=8.75 MPa(γ代表上覆岩层重量，H代表深度)。对模型中各岩层采用Mohr-Coulomb本构模型，并采用fill充填命令对采空区垮落的矸石赋相关模拟参数。模型从岩性、边界条件等方面基本还原了现场采矿条件。首先开挖3上煤层回采巷道和工作面(留煤柱宽度为5 m)，平衡后对3下煤层回采巷道的6个布置方案进行对比分析，即巷道距离3上小煤柱中线的水平距离分别为0、10、20、30、40、50 m。3下煤层尚未开采，通过对比不同方案下3下煤层回采巷道掘进后围岩的应力、位移和塑性区特征，确定巷道的最优位置。

图3 数值模型

岩层密度/(g·cm-3)抗拉强度/MPa剪切模量/GPa体积模量/GPa摩擦角/(°)内聚力/MPa中砂岩 2 5001.54.07253.0中细砂岩2 6002.03.06354.0煤层 1 4001.31.52200.8粉砂岩 2 5301.72.04303.0细砂岩 2 7002.75.08304.0

图4 上煤层回采后垂直应力图

3.2 3上煤层残余小煤柱下应力分布规律分析

沿着3下煤层回采巷道的左帮(靠近煤柱侧)监测垂直应力，监测结果见图4。在距煤柱0～10 m内，垂直应力从25.44 MPa上升到26.10 MPa，其增长速度比较平缓；在距煤柱10～30 m内，垂直应力从26.10 MPa下降到18.28 MPa，下降速度较快；在距煤柱30～50 m内，垂直应力稳定在18.00 MPa左右。因此，从不同巷道布置位置下围岩的应力集中情况对比得出，较为合理的煤柱宽度为30 m左右。

3.3 巷道变形分析

为分析回采巷道到小煤柱距离对回采巷道围岩变形的影响，对6种情况下3下煤层回采巷道变形量进行统计对比，结果见表3和图5。

表3 不同布置方式下3下煤层巷道围岩变形量

图5 巷道变形量曲线

由表3和图5得知，无支护条件下巷道顶板和两帮变形量较大，为400～700 mm。受3上小煤柱应力集中区的影响，巷道围岩的变形量在不同布置方式下存在差异，但总体上表现出两帮变形量高于顶板的特征，因此巷道支护的重要内容为控制帮部围岩变形。随着3下煤层巷道与3上煤层小煤柱水平间距的增加，巷道围岩变形量逐渐变小。距离小煤柱0～30 m范围内，巷道受小煤柱附近集中应力的影响较大，巷道围岩变形曲线下降幅度比较大；当间距大于30 m时，巷道围岩变形曲线变化幅度不大，位移量趋近稳定。位移监测结果表明，当巷道与3上煤层小煤柱水平间距在30 m时，采空区和残余小煤柱对下煤层回采巷道围岩变形影响不大。因此认为在间距约30 m处开掘巷道，可以有效减小围岩变形量，利于巷道的稳定性控制。

3.4 塑性区分布情况分析

巷道围岩塑性区的分布形式通常影响巷道的稳定性，不同的巷道布置形式下，3下煤层回采巷道围岩塑性区分布如图6所示。由于受到上覆采空区煤柱影响，3下煤层回采巷道顶板及两帮多处于卸载和塑性状态，由此导致巷道变形量的增大。

图6 3下煤层回采巷道围岩塑性区分布

从图6(a)～6(b)得知，当回采巷道与3上小煤柱中心水平间距为0～10 m时，3下回采巷道位于3上小煤柱支撑压力的影响范围内，巷道围岩承受较大的应力致使塑性区广泛发育，巷道顶板产生贯通至3上煤层的塑性区，巷道底板完全破坏；当回采巷道与3上小煤柱间隔20 m时，巷道底板破坏范围较大，呈现向3上煤层小煤柱发育的趋势；当回采巷道与3上小煤柱间隔30 m时，巷道顶板及两帮多处煤体处于塑性状态；巷道塑性区范围随巷道与煤柱距离的增加而逐渐减小，围岩的承载能力逐渐增强，巷道的稳定性升高。由图6(e)～6(f)得知，当回采巷道与3上小煤柱间隔40～50 m时，巷道围岩虽处于塑性状态，围岩塑性区仅在巷道两帮及底板附近发育，但范围相对较小，围岩能够自稳。

3上煤层回采完成后，残余小煤柱下方一定范围内存在应力集中区，综合不同巷道布置方案下围岩的应力、位移和塑性区的分析结果，3下煤层回采巷道与3上煤层小煤柱间隔不小于30 m时，围岩可保持较好的稳定性。随着回采巷道与3上煤层小煤柱距离的增加，则所留设3下煤层煤柱的尺寸增大，容易造成煤炭资源浪费。从经济利益角度来看，为了尽可能多地回收煤炭资源，同时避开应力集中区域，增加巷道的稳定性，3下煤层回采巷道与3上煤层小煤柱中心的水平间距约为30 m时，可保证安全回采。