元永國(guó)

（遼源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 遼源136201）

極近距離煤層開采時(shí)，由于層間距較小，上煤層的開采對(duì)下煤層開采影響嚴(yán)重，這種極近距離煤層在我國(guó)廣泛分布［1－2］。由于上煤層的開采破壞了下部煤層頂板的完整性，且上部煤層回采后煤體邊緣集中應(yīng)力向底板傳遞［3］，使得下煤層回采巷道位置的布置成為一個(gè)難題。大量理論分析認(rèn)為，下煤層的回采巷道內(nèi)錯(cuò)布置在上煤層采空區(qū)下方的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)為好［4－7］，但下煤層回采巷道具體布置在什么位置需要根據(jù)實(shí)際的開采條件而定。本文根據(jù)某煤礦層間距為5.32m極近距離煤層實(shí)際地質(zhì)條件，采用理論計(jì)算確定下煤層回采巷道的合理位置，運(yùn)用數(shù)值模擬方法研究下煤層回采巷道布置在不同位置時(shí)的巷道受力情況，確定極近距離下煤層回采巷道內(nèi)錯(cuò)布置的合理錯(cuò)距。

1 工作面地質(zhì)條件

該煤礦極近距離煤層平均層間距為5.32m，上煤層平均厚度為1.12m，直接頂為K2灰?guī)r，底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖，該煤層為穩(wěn)定全區(qū)可采煤層；下煤層平均厚度為4.23m，煤層頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖，底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖，該煤層為井田穩(wěn)定可采煤層。

2 理論計(jì)算分析

內(nèi)錯(cuò)式布置是指下部煤層回采巷道位于上部煤層采空區(qū)內(nèi)，但在距上部煤層采空側(cè)邊緣一定范圍內(nèi)的應(yīng)力仍高于原巖應(yīng)力，對(duì)下煤層回采巷道的穩(wěn)定有一定的影響。一般認(rèn)為下煤層回采巷道應(yīng)布置在采空區(qū)內(nèi)的應(yīng)力降低區(qū)。借鑒土力學(xué)中地基的計(jì)算方法和采場(chǎng)礦壓理論［8］，建立極近距離煤層下回采巷道內(nèi)錯(cuò)式布置合理錯(cuò)距計(jì)算模型（圖1）。

圖1 下煤層回采巷道內(nèi)錯(cuò)距理論模型

圖中Ⅰ區(qū)為主動(dòng)應(yīng)力區(qū)，∠CAB與∠CBA表達(dá)式及關(guān)系見式（1）。

式中：φ表示內(nèi)摩擦角。

Ⅱ區(qū)為過渡區(qū)，CD是以B為原點(diǎn)的對(duì)數(shù)螺線，其方程見式（2）。

式中：r為以B為原點(diǎn)與r0成α角處的螺線半徑；BC長(zhǎng)度r0；r與r0夾角α。

Ⅲ區(qū)為被動(dòng)應(yīng)力區(qū)，∠DBE與∠DEB表達(dá)式及關(guān)系見式（3）。

BF長(zhǎng)度為底板過渡區(qū)的邊界長(zhǎng)度，由圖可知BF段底板應(yīng)力下煤層回采巷道影響較大。鑒于此，內(nèi)錯(cuò)式布置巷道應(yīng)避開BF段。

根據(jù)上述模型，極近距離煤層開采下煤層回采巷道內(nèi)錯(cuò)式布置合理錯(cuò)距見式（4）。

同樣根據(jù)已有極限平衡區(qū)寬度x0，利用式（1）～（3）。可以得出求解BF段長(zhǎng)度的方程組，見式（5）。解析解見式（6）。

則有式（7）。

取煤層內(nèi)摩擦角φ為30°；內(nèi)聚力Cm為2.3MPa，巖層移動(dòng)角δ為50°；應(yīng)力集中系數(shù)K為2；煤巖層面間的摩擦系數(shù)f為0.3；上覆巖層平均體積力γ25kN／m3；兩煤層平均層間距為5.32m；煤層平均埋深H取值為300m；9號(hào)煤層采高m取1.12m。將各參數(shù)代入減壓區(qū)布置錯(cuò)距理論公式（式（7））中得到以下結(jié)果。

故該礦極近距離煤層開采下煤層回采巷道內(nèi)錯(cuò)式布置合理錯(cuò)距為大于6.31m。

3 數(shù)值模擬研究

3.1 數(shù)值模型

數(shù)值模擬采用FLAC3D，采用莫爾－庫(kù)倫準(zhǔn)則以某礦極近煤層具體開采條件為背景，建立數(shù)值模型。上煤層平均埋深300m，下煤層距上煤層5.32m，模擬煤巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

模擬模型上煤層厚度、頂板厚度及底板厚度分別為1.12m、42.09m、31.49m、之和為74.7m；在工作面推進(jìn)方向始末端各留30m實(shí)體煤，工作面推進(jìn)長(zhǎng)度為200m，則模型的長(zhǎng)度為260m；模擬上煤層工作面長(zhǎng)度為150m，由于對(duì)稱性取工作面長(zhǎng)度75m，在模型兩端留30m煤柱，模型寬度為210m。約束模型四個(gè)側(cè)面的水平位移，約束模型底部水平位移和垂直位移。模型上部加載的均布荷載，按巖層平均容重2.5MPa／100m及模擬埋深300m計(jì)算。

3.2 模擬過程

模型建好后，首先計(jì)算初始應(yīng)力場(chǎng)至平衡，接著開挖上煤層工作面，計(jì)算平衡后，調(diào)取數(shù)據(jù)分析下煤層沿工作面長(zhǎng)度方向頂板應(yīng)力分布情況；再開挖下煤層工作面回采巷道，尺寸為寬×高＝4m×3.6m，并支護(hù)，計(jì)算平衡后，分析上煤層采空區(qū)下方下煤層回采巷道分別距上煤層煤體邊緣水平距離5m、6m、8m、12m、15m時(shí)巷道的受力情況。

表1 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

3.3 模擬結(jié)果分析

3.3.1 上煤層回采后下煤層頂板應(yīng)力分布規(guī)律

圖2給出了上煤層回采后下部煤層頂板應(yīng)力在工作面長(zhǎng)度方向上的分布曲線。由圖2可以看出：上煤層回采后在煤體側(cè)或煤柱正下方底板煤巖層中形成了應(yīng)力升高區(qū)，且隨著遠(yuǎn)離上部煤層垂直應(yīng)力逐漸降低，直至恢復(fù)到原巖應(yīng)力。而在采空側(cè)距上部煤體邊緣2m以外內(nèi)形成了應(yīng)力降低區(qū)，在距采空側(cè)距上部煤體邊緣6～15m范圍內(nèi)垂直應(yīng)力變化不大，比較穩(wěn)定；水平應(yīng)力在采空側(cè)先升高后降低，在采空側(cè)距上部煤體邊緣15m以外水平應(yīng)力變化平緩逐漸恢復(fù)到原巖應(yīng)力。

圖2 上煤層回采后下煤層頂板沿應(yīng)力分布曲線

圖3 距煤體邊緣不同距離時(shí)巷道兩幫腰線處受力分布曲線

3.3.2 下煤層回采巷道距煤體邊緣不同距離時(shí)巷分析道受力

圖3給出了距煤體邊緣不同距離時(shí)巷道兩幫腰線處距巷道中心線20m范圍內(nèi)的受力分布曲線，由圖3可知：巷道在距煤體邊緣5m處巷道兩幫腰線處的垂直應(yīng)力峰值不同，水平應(yīng)力分布一樣，巷道受力不平衡，可能導(dǎo)致巷道支護(hù)困難，而巷道布置在6m及6m以外的地方，巷道受力基本相同，與距煤體邊緣的距離遠(yuǎn)近關(guān)系不大。

4 結(jié) 論

1）借鑒土力學(xué)中地基的計(jì)算方法和采場(chǎng)礦壓理論，建立極近距離煤層下回采巷道內(nèi)錯(cuò)式布置合理錯(cuò)距計(jì)算模型，計(jì)算得該礦極近距離煤層開采下煤層回采巷道內(nèi)錯(cuò)式布置合理錯(cuò)距為大于6.31m。

2）數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析可知，該礦極近距離煤層上煤層回采后，下煤層巷道在距煤體邊緣5m處巷道兩幫腰線處的垂直應(yīng)力峰值不同，水平應(yīng)力分布一樣，巷道受力不平衡，可能導(dǎo)致巷道支護(hù)困難，而巷道布置在6m及6m以外的地方，巷道受力基本相同，與距煤體邊緣的距離遠(yuǎn)近關(guān)系不大，下煤層回采巷道內(nèi)錯(cuò)式布置合理錯(cuò)距為大于等于6m。

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