劉東亮

(太原華潤(rùn)煤業(yè)有限公司,太原 030000)

工作面巷道布置是否合理直接影響到生產(chǎn)效益以及生產(chǎn)安全。原相煤礦為煤與瓦斯突出礦井,且02#和2#煤層均為近距離煤層,02#煤層工作面回采期間瓦斯涌出以下鄰近層為主。傳統(tǒng)的U型巷道布置方式,上位煤層工作面開(kāi)采后的遺留煤柱對(duì)下位煤層巷道礦壓影響很大,而采用“一面三巷”的巷道布置方式[1]配合沿空留巷技術(shù),則可以實(shí)現(xiàn)無(wú)煤柱開(kāi)采[2],保證頂板安全；且通過(guò)在2#煤層布置的瓦斯治理巷進(jìn)行打鉆抽采,能夠保證有充足的時(shí)間治理下鄰近層的瓦斯[3]。同時(shí),“一面三巷”的巷道布置能夠?qū)崿F(xiàn)一巷多用,降低掘進(jìn)量,保證礦井生產(chǎn)接續(xù),且工作面采用Y型通風(fēng),能夠解決上隅角瓦斯治理的難題。

本文重點(diǎn)研究下位煤層瓦斯治理巷的布置方式,采用FLAC3D 5.00軟件對(duì)近距離煤層應(yīng)力場(chǎng)演化規(guī)律[4-5]進(jìn)行分析,確定合理的巷道空間位置及合理掘進(jìn)時(shí)機(jī)。

1 工程概況

原相煤礦為煤與瓦斯突出礦井,設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力90萬(wàn)t/a,現(xiàn)開(kāi)采02#和2#煤層,02#煤層平均厚度1.64 m,2#煤層平均厚度1.83 m。2#煤層位于02#煤層下方,層間距平均6.5 m左右,兩層煤聯(lián)合布置,其中02#煤層作為保護(hù)層先進(jìn)行開(kāi)采。02#和2#煤層煤種均為低中灰、特低硫、低磷、高發(fā)熱量、中等可選焦煤,為稀有煤種。

10209回采工作面位于井田南部一采區(qū),北部為02#煤層10207采空區(qū)和2#煤層10209瓦斯治理巷,南部目前無(wú)采掘活動(dòng),西部為礦界,工作面走向長(zhǎng)975 m,傾向長(zhǎng)204.5 m,煤層厚度1.6～2.0 m,見(jiàn)圖1。

圖1 10209工作面布置圖Fig.1 Layout of No.10209 working face

02#煤層基本頂為3.65 m的粉砂巖,直接頂為2.4 m的砂質(zhì)泥巖,直接底為1.75 m的細(xì)砂巖,基本底為2.7 m的砂質(zhì)泥巖。2#煤層基本頂為2.0 m的砂質(zhì)泥巖,直接頂為2.3 m的泥質(zhì)砂巖,直接底為0.69 m的粉砂巖,基本底為1.36 m的砂質(zhì)泥巖。工作面布置采用“一面三巷”“兩進(jìn)一回”的布置方式,包括兩條02#煤層巷道(10209皮帶順槽、10209軌道順槽進(jìn)風(fēng)),一條2#煤層巷道(10209瓦斯治理巷回風(fēng))。

2 聯(lián)合布置巷道合理位置選擇

采用“一面三巷”布置方式,下位煤層巷道易受動(dòng)壓影響,產(chǎn)生圍巖變形量大,維護(hù)困難,甚至出現(xiàn)報(bào)廢及無(wú)法使用的情況,缺乏相應(yīng)的定量指導(dǎo)數(shù)據(jù)。

2.1 10209瓦斯治理巷道布置原則

由于礦井生產(chǎn)相對(duì)集中,當(dāng)02#煤層10207工作面回采結(jié)束后,需在采空區(qū)不斷壓實(shí)的狀態(tài)下,在下位沿2#煤層布置10209瓦斯治理巷。該巷道屆時(shí)將發(fā)揮三方面用途:作為底抽巷，服務(wù)于上位10209工作面的瓦斯抽采;服務(wù)于下位1209工作面的瓦斯抽采;作為軌道順槽,服務(wù)于1207工作面。這三方面用途要求10209瓦斯治理巷要能夠維系較長(zhǎng)的服務(wù)年限,因此良好的空間定位才能便于長(zhǎng)時(shí)間服務(wù)的頂?shù)装寰S護(hù)。

2.2 數(shù)值分析模型的建立

采用FLAC3D 5.00軟件對(duì)近距離煤層應(yīng)力場(chǎng)演化規(guī)律進(jìn)行模擬,建立的數(shù)值模型能夠容納兩個(gè)回采工作面和受其回采動(dòng)壓影響的深部巖體的范圍,并考慮一定的邊界效應(yīng),故將模型尺寸確定為400 m×400 m×80 m的長(zhǎng)方體。模型中各層位的厚度與實(shí)際巖層厚度比為1∶1。模型的頂部實(shí)際為K4含礫粗粒砂巖的上覆中粒砂巖層。根據(jù)巖層等效載荷計(jì)算公式可知γ=0.025 MPa/m,因此需要對(duì)模型頂部施加18.0 MPa的垂向均布載荷,且該垂向應(yīng)力隨埋深增大而增大。模型底部和四周為固定位移邊界,頂部為自由邊界。

表1 數(shù)值模型煤巖體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of numerical model of coal rock mass

2.3 瓦斯治理巷空間位置確定

根據(jù)近距離煤層開(kāi)采下位回采巷道位置選擇的基本原理,10209瓦斯治理巷布置在10207工作面采空區(qū)下方,并應(yīng)盡量增大與10209工作面的水平距離。但是隨著錯(cuò)距增大,瓦斯抽采鉆孔的工作量及抽采難度增大,而錯(cuò)距過(guò)小將會(huì)導(dǎo)致掘進(jìn)及后期維護(hù)過(guò)程中的困難增大。

為了確定瓦斯治理巷的空間位置,首先在2#煤層內(nèi)圈定長(zhǎng)24.0 m,高2.4 m的矩形塊段作為可能布置瓦斯巷的區(qū)域,以便對(duì)應(yīng)力分布特征及巖體塑性破壞區(qū)域進(jìn)行研究。按照理想化假設(shè),在數(shù)值模型中10207工作面回采結(jié)束,且采空區(qū)的壓實(shí)過(guò)程由劇烈下沉變?yōu)橼呌诜€(wěn)定時(shí),再行回采10209工作面,觀察瓦斯巷待選區(qū)周?chē)鷰r體的應(yīng)力分布情況,以避開(kāi)應(yīng)力增高區(qū)為原則,對(duì)下位煤層瓦斯巷的空間位置進(jìn)行初選。從圖2可以看出,待選區(qū)靠近10209工作面的區(qū)域位于應(yīng)力升高區(qū),巷幫及底板的應(yīng)力增高系數(shù)約為1.30,因此應(yīng)將該區(qū)域排除。圖中所示的初選位置均位于壓應(yīng)力降低區(qū),且該區(qū)域巖體未發(fā)生塑性破壞。

(a)垂向應(yīng)力分布云圖中的巷道初選位置

(b)初選位置區(qū)域的塑性區(qū)分布圖2 瓦斯治理巷初選位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the primary location of gas control roadway

通過(guò)分析數(shù)值模型內(nèi)測(cè)點(diǎn)記錄的數(shù)據(jù),可以定量反映出該區(qū)域巖體內(nèi)的應(yīng)力演化規(guī)律。兩應(yīng)力測(cè)點(diǎn)分別位于圖2中位置初選區(qū)域頂部和幫部的中心點(diǎn),坐標(biāo)為(324,290,25)和(324,290,24),分別記錄兩測(cè)點(diǎn)的垂向和水平應(yīng)力,結(jié)果如圖3所示。

(a)頂板測(cè)點(diǎn)垂向應(yīng)力變化曲線

(b)幫部測(cè)點(diǎn)水平應(yīng)力變化曲線圖3 測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化曲線Fig.3 Stress curves of measuring points

圖3(a)顯示,測(cè)點(diǎn)處的垂向原巖應(yīng)力(壓應(yīng)力)約為19.0 MPa,隨著數(shù)值運(yùn)算步數(shù)增多,工作面超前應(yīng)力場(chǎng)的影響范圍逐漸增大,使得該測(cè)點(diǎn)處的巖體應(yīng)力重新分布,并出現(xiàn)了輕微拉應(yīng)力,放大后的圖像顯示最大拉應(yīng)力值約1.0 MPa。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集煤巖樣本的力學(xué)測(cè)試結(jié)果可知,2#煤層頂板砂質(zhì)泥巖的拉應(yīng)力約為2.12 MPa,所以該區(qū)域出現(xiàn)的拉應(yīng)力不會(huì)對(duì)巷道頂板造成明顯影響。最終,測(cè)點(diǎn)處巖體內(nèi)拉應(yīng)力值平衡在0.7 MPa左右。對(duì)于圖3(b),測(cè)點(diǎn)處的水平應(yīng)力(壓應(yīng)力)約為10.0 MPa,與上一測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)力演化規(guī)律相似,幫部測(cè)點(diǎn)水平應(yīng)力由壓應(yīng)力變化為拉應(yīng)力,峰值約1.0 MPa,最終值約0.7 MPa。對(duì)于測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力演化規(guī)律分析,進(jìn)一步印證了模擬分析得到的結(jié)論,即可將10209瓦斯治理巷布置在圖2所示的初選位置內(nèi),對(duì)應(yīng)的實(shí)際空間位置為巷道中心點(diǎn)與上位10209軌道順槽中心點(diǎn)水平距離大于12 m處。

基于空間位置初選的結(jié)果,設(shè)計(jì)了不同的巷道空間位置方案(表2),分別采用數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算,通過(guò)對(duì)比圖像與測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù),篩選出最優(yōu)方案,從而確定10209瓦斯治理巷對(duì)應(yīng)的實(shí)際空間位置。

表2 各方案對(duì)應(yīng)的實(shí)際空間位置與模型位置Table 2 The actual position and model position of plans

對(duì)以上分析結(jié)果進(jìn)行匯總,以巷道圍巖變形量為評(píng)判指標(biāo),確定最優(yōu)空間位置方案。將以上6種方案的巷道圍巖變形量通過(guò)ORIGIN軟件繪制在同一圖像上,從而形成直觀對(duì)比,巷道頂板及幫部變形演化曲線如圖4所示。

(a)頂板變形量曲線

(b)巷幫變形量曲線圖4 瓦斯巷圍巖變形量曲線Fig.4 Deformation curves of surrounding rock in gas roadways

對(duì)比各方案發(fā)現(xiàn),隨著下位煤層10209瓦斯治理巷與上位軌道順槽的水平距離增大,巷道的頂板下沉量及兩幫移近量呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。隨著水平錯(cuò)距在20 m(方案3)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增大,頂板下沉的減小趨勢(shì)逐漸變緩。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因,一方面根據(jù)下位煤層回采巷道布置理論與現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn),進(jìn)一步增大水平錯(cuò)距,有利于增加10209瓦斯治理巷的圍巖穩(wěn)定性;另一方面受經(jīng)濟(jì)因素制約,水平錯(cuò)距進(jìn)一步增加將加大瓦斯抽采鉆孔的鉆進(jìn)長(zhǎng)度及抽采難度。因此,將方案3作為10209瓦斯治理巷的空間布置方案較為適宜,此時(shí)該巷與上位10209軌道順槽水平中心距為20 m。

3 瓦斯治理巷掘進(jìn)合理時(shí)機(jī)選擇

在進(jìn)行下位煤層10209瓦斯治理巷掘進(jìn)時(shí)機(jī)研究時(shí),仍采用數(shù)值模擬和理論分析為主的研究手段。在10207工作面上方兩個(gè)區(qū)域內(nèi)布置測(cè)點(diǎn),測(cè)點(diǎn)1-4位于10207工作面中部的正上方,測(cè)點(diǎn)5-8位于瓦斯巷正上方;第一層測(cè)點(diǎn)(1和5)位于直接頂砂質(zhì)泥巖內(nèi),第二層測(cè)點(diǎn)(2和6)位于細(xì)粒砂巖頂部,第三層測(cè)點(diǎn)(3和7)位于粉砂巖頂部,第四層測(cè)點(diǎn)(4和8)位于K4含礫粗粒砂巖中部。以上全部測(cè)點(diǎn)主要對(duì)10207工作面回采過(guò)程中覆巖在垂直方向上的位移及應(yīng)力進(jìn)行記錄,并自動(dòng)生成時(shí)步-位移和時(shí)步-應(yīng)力變化曲線。通過(guò)不同測(cè)點(diǎn)之間的對(duì)比,找到工作面覆巖達(dá)到最大下沉值并趨于穩(wěn)定的最長(zhǎng)運(yùn)算時(shí)步,建立模型時(shí)步與真實(shí)時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,并通過(guò)計(jì)算將采空區(qū)穩(wěn)定時(shí)步換算為真實(shí)時(shí)間,從而確定巷道的最短安全掘進(jìn)時(shí)間。10207工作面上方各測(cè)點(diǎn)處的位移變化曲線,如圖5所示。

(a)測(cè)點(diǎn)1-4位移變化曲線

(b)測(cè)點(diǎn)5-8位移變化曲線圖5 測(cè)點(diǎn)位移-時(shí)步曲線Fig.5 Curves of displacement-time step of measuring points

測(cè)點(diǎn)1-4依次對(duì)應(yīng)于圖5中編號(hào)47、92、119和128所示的曲線。從圖中可以看出,工作面上覆各巖層產(chǎn)生協(xié)調(diào)下沉,且速度近乎相同,因此選擇下沉量最大的頂板測(cè)點(diǎn)1做進(jìn)一步分析。測(cè)點(diǎn)5-8依次對(duì)應(yīng)于圖5中編號(hào)51、96、123和132所示的曲線,該區(qū)域測(cè)點(diǎn)與1-4有著相似的規(guī)律,不同的是,由于該列測(cè)點(diǎn)中最上方的8號(hào)測(cè)點(diǎn)位于模型上表面移動(dòng)盆地的邊緣,導(dǎo)致其在垂直方向上產(chǎn)生了比煤層頂板更大的位移,但小于中層覆巖。同樣,選擇下沉量最大的頂板測(cè)點(diǎn)5與測(cè)點(diǎn)1在應(yīng)力變化規(guī)律上進(jìn)一步對(duì)比,如圖6所示。

圖6 測(cè)點(diǎn)1和5的垂向應(yīng)力變化曲線Fig.6 Vertical stress curves of No.1 and No.5 measuring point

測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)5在工作面回采至該區(qū)域前后有著近乎相同的應(yīng)力變化。隨著工作面經(jīng)過(guò)后的頂板覆巖破碎下沉,二者演化規(guī)律開(kāi)始呈現(xiàn)明顯的差別。測(cè)點(diǎn)1所在的工作面中部頂板率先產(chǎn)生應(yīng)力突變,壓應(yīng)力增大至27.0 MPa。但兩測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)力均在模擬計(jì)算的第15 000步逐漸趨于定值,表明此時(shí)采空區(qū)頂板由劇烈下沉逐漸趨于平緩,此時(shí)在下位2#煤層中掘進(jìn)10209瓦斯治理巷較為合理。鑒于模型從第7 450時(shí)步開(kāi)始計(jì)算,因此可以將巷道掘進(jìn)的最短安全時(shí)步定為7 550。

根據(jù)前期在10207瓦斯治理巷的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以及模型的計(jì)算結(jié)果,可以認(rèn)為數(shù)值模擬中的2 750步近似等價(jià)于真實(shí)時(shí)間的38 d。由于10209瓦斯治理巷最短安全掘進(jìn)時(shí)步為7 550,經(jīng)計(jì)算得到掘進(jìn)該巷道的最少時(shí)間間隔為104 d。

4 巷道穩(wěn)定性分析

在保持原巷道(10207瓦斯治理巷)支護(hù)參數(shù)的情況下,在10209瓦斯治理巷布置一段位移測(cè)站。距巷道開(kāi)口325 m處開(kāi)始,每隔30 m布置一處位移測(cè)站,共布置6組測(cè)站,測(cè)站編號(hào)依次為B1～B6,測(cè)站布置情況如圖7所示。

圖7 測(cè)站布置平面示意圖Fig.7 Layout of measuring points

通過(guò)ORIGIN數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行繪圖處理,得到巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平侩S時(shí)間的增長(zhǎng)曲線,如圖8所示。

(a)B1-B3測(cè)站

(b)B4-B6測(cè)站圖8 巷道圍巖移近量增長(zhǎng)曲線Fig.8 Convergence growth curves of surrounding rock in roadways

經(jīng)分析,相比于原10207瓦斯治理巷,本次研究的10209瓦斯治理巷圍巖變形量得到極大的改觀,取得了良好的效果。

5 結(jié)論

針對(duì)原相煤礦02#煤層工作面“一面三巷”布置方式存在的技術(shù)難點(diǎn),通過(guò)數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)下位煤層巷道布置進(jìn)行了分析,結(jié)論如下:

1)通過(guò)不同空間位置的對(duì)比,確定了10209瓦斯治理巷的最優(yōu)空間位置,以及與上位10209軌道順槽中心點(diǎn)的水平間距為20 m。

2)通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)值模型中測(cè)點(diǎn)的位移和應(yīng)力變化量,得到了10209瓦斯治理巷的最短安全掘進(jìn)時(shí)步為7 550,并通過(guò)數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)反演結(jié)果,建立了模型時(shí)步與真實(shí)時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,計(jì)算得到了瓦斯巷的最短安全掘進(jìn)時(shí)間為104 d。

3)從整體上看,10209瓦斯治理巷的圍巖穩(wěn)定性較好,驗(yàn)證了所研究的空間位置、掘進(jìn)時(shí)機(jī)的科學(xué)有效性。

4)原相煤礦10209工作面“一面三巷,Y型通風(fēng)”的布置方式有效解決了工作面回采期間上隅角瓦斯治理的難題,并實(shí)現(xiàn)了10209瓦斯治理巷的一巷多用,降低了巷道掘進(jìn)率,節(jié)約了成本,保證了正常的生產(chǎn)接續(xù)。