秦忠誠，聶 旺，劉永樂，張玉柏，劉利寧

(1. 山東科技大學(xué) 能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島 266590； 2. 兗礦集團(tuán)南屯煤礦，山東 鄒城 273515)

近年來煤炭的儲(chǔ)蓄量日益減少，采深逐漸增大，煤礦開采面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)越來越大。煤炭開采過程中常見厚煤層分岔現(xiàn)象，上分層開采容易對(duì)分岔區(qū)夾矸層與下分層造成影響，使其發(fā)生一定程度的損壞，從而造成下分層內(nèi)回采巷道的布置較為困難[1-4]。因此，有必要對(duì)分岔區(qū)下分層回采巷道的位置選擇進(jìn)行研究?？倒傧鹊萚5]利用數(shù)值模擬等手段對(duì)采空區(qū)下極近距離煤層回采巷道的布置進(jìn)行了研究，指出回采巷道位置應(yīng)遠(yuǎn)離采空區(qū)下高應(yīng)力區(qū)。孔德中等[6]采用理論分析等手段研究了近距離煤層的回采巷道布置，提出下位煤層回采巷道位置應(yīng)該遵循避開壓力影響區(qū)的原則。劉家成[7]利用數(shù)值模擬和理論計(jì)算對(duì)厚煤層分層開采巷道的合理位置進(jìn)行了研究，得出巷道布置應(yīng)為內(nèi)錯(cuò)式且內(nèi)錯(cuò)距為8 m。張學(xué)亮[8]利用數(shù)值模擬和理論分析對(duì)厚煤層下分層巷道位置的布置進(jìn)行了研究，得出下分層回采巷道錯(cuò)距應(yīng)為4 m。

以上研究成果對(duì)厚煤層回采巷道的位置選擇起到了重要的指導(dǎo)作用，但鮮有涉及厚煤層分岔?xiàng)l件下的下分層回采巷道位置選擇的研究，同時(shí)不同的采礦條件下，影響巷道布置的關(guān)鍵因素與巷道穩(wěn)定性控制方法難以獲得統(tǒng)一結(jié)論。因此，借鑒眾多學(xué)者的研究成果[9-13]，針對(duì)厚煤層分岔區(qū)下分層的回采巷道位置選擇的問題展開研究。首先采用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)和MTS815.03電液伺服巖石試驗(yàn)系統(tǒng)分別對(duì)夾矸頂板試樣的微觀結(jié)構(gòu)和煤層的物理力學(xué)特征進(jìn)行分析。然后采用FLAC3D對(duì)下分層不同的回采巷道位置下3上煤層殘余小煤柱的應(yīng)力集中情況、巷道位移量和塑性區(qū)分布特征進(jìn)行研究，從而確定下分層回采巷道的最優(yōu)位置。最后，通過現(xiàn)場巷道位移監(jiān)測對(duì)以上研究結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。

1 工程背景

某礦9采區(qū)主采3煤層為近水平煤層，煤層結(jié)構(gòu)簡單，以亮煤為主，夾暗煤及鏡煤條帶，煤層普氏硬度f=2～3。3煤中間為發(fā)育不均勻厚度的夾矸，厚度1～13 m，夾矸主要為泥質(zhì)膠結(jié)粉砂巖，裂隙發(fā)育。3上煤層已開采，3下煤層厚度3.81～3.16 m。3下煤層回采巷道的分岔區(qū)夾矸頂板受3上煤層采動(dòng)的影響，夾矸整體穩(wěn)定性差，所以3下煤層回采巷道位置的選擇非常困難。

2 夾矸層和3下煤層受采動(dòng)影響破壞分析

2.1 夾矸的微觀結(jié)構(gòu)與破壞特征

采用SEM研究了采場夾矸頂板巖樣的微觀形貌結(jié)構(gòu)，樣品掃描結(jié)果如圖1所示。從試樣微孔結(jié)構(gòu)看出，3下煤層夾矸頂板顆粒中含有微孔隙和微裂隙(最大孔隙尺寸為10 μm×20 μm)，圍巖裂隙比較發(fā)育，為不連續(xù)的塊裂狀。微孔隙和微裂隙的存在，為煤體的裂隙膨脹提供了基礎(chǔ)。

2.2 3下煤層夾矸頂板及煤層力學(xué)性能測試

煤樣取自9采區(qū)3下煤層12工作面(簡稱93下12工作面)，上、中、下各取3塊，共9塊。夾矸取自93下12工作面運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)停采線以上30 m，共15塊。煤巖樣采取后進(jìn)行了必要的包裝和石蠟封裝以防風(fēng)化，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室切割后制成標(biāo)準(zhǔn)試件，進(jìn)行MTS力學(xué)試驗(yàn)，結(jié)果見表1。

表1 3下煤頂板巖石物理力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果表

3 3下煤層回采巷道布置方式選擇

受3上煤層采動(dòng)影響，3煤層夾矸層裂隙較發(fā)育。因此，在布置夾矸下分層回采巷道時(shí)必須遵循以下原則：避開因3上殘留煤柱生成的支承壓力影響區(qū)；盡可能多回收煤炭資源。

圖2 下煤層回采巷道內(nèi)錯(cuò)布置示意圖

如圖2所示，采用內(nèi)錯(cuò)布置方式在3上煤層采空區(qū)下布置3下順槽，使之位于上煤層回采后的采空卸壓區(qū)內(nèi)，同時(shí)可以采用留窄小煤柱沿空掘巷的方式減小區(qū)段煤柱的尺寸。

3.1 數(shù)值模型的建立

為了合理選擇3下煤層回采巷道的位置，同時(shí)為巷道的支護(hù)提供參考依據(jù)，使用FLAC3D對(duì)無支護(hù)條件下巷道的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。建立數(shù)值模型如圖3所示，模型尺寸為：長×寬×高=310 m×40 m×60.5 m，夾矸厚度為10 m，各層物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。模型東、西、南、北以及底部邊界固定法向位移，把原始的上部巖層重力施加到模型頂端，即γH=8.75 MPa(γ代表上覆巖層重量，H代表深度)。對(duì)模型中各巖層采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，并采用fill充填命令對(duì)采空區(qū)垮落的矸石賦相關(guān)模擬參數(shù)。模型從巖性、邊界條件等方面基本還原了現(xiàn)場采礦條件。首先開挖3上煤層回采巷道和工作面(留煤柱寬度為5 m)，平衡后對(duì)3下煤層回采巷道的6個(gè)布置方案進(jìn)行對(duì)比分析，即巷道距離3上小煤柱中線的水平距離分別為0、10、20、30、40、50 m。3下煤層尚未開采，通過對(duì)比不同方案下3下煤層回采巷道掘進(jìn)后圍巖的應(yīng)力、位移和塑性區(qū)特征，確定巷道的最優(yōu)位置。

圖3 數(shù)值模型

巖層 密度/(g·cm-3)抗拉強(qiáng)度/MPa剪切模量/GPa體積模量/GPa摩擦角/(°)內(nèi)聚力/MPa中砂巖 2 5001.54.07253.0中細(xì)砂巖2 6002.03.06354.0煤層 1 4001.31.52200.8粉砂巖 2 5301.72.04303.0細(xì)砂巖 2 7002.75.08304.0

圖4 上煤層回采后垂直應(yīng)力圖

3.2 3上煤層殘余小煤柱下應(yīng)力分布規(guī)律分析

沿著3下煤層回采巷道的左幫(靠近煤柱側(cè))監(jiān)測垂直應(yīng)力，監(jiān)測結(jié)果見圖4。在距煤柱0～10 m內(nèi)，垂直應(yīng)力從25.44 MPa上升到26.10 MPa，其增長速度比較平緩；在距煤柱10～30 m內(nèi)，垂直應(yīng)力從26.10 MPa下降到18.28 MPa，下降速度較快；在距煤柱30～50 m內(nèi)，垂直應(yīng)力穩(wěn)定在18.00 MPa左右。因此，從不同巷道布置位置下圍巖的應(yīng)力集中情況對(duì)比得出，較為合理的煤柱寬度為30 m左右。

3.3 巷道變形分析

為分析回采巷道到小煤柱距離對(duì)回采巷道圍巖變形的影響，對(duì)6種情況下3下煤層回采巷道變形量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比，結(jié)果見表3和圖5。

表3 不同布置方式下3下煤層巷道圍巖變形量

圖5 巷道變形量曲線

由表3和圖5得知，無支護(hù)條件下巷道頂板和兩幫變形量較大，為400～700 mm。受3上小煤柱應(yīng)力集中區(qū)的影響，巷道圍巖的變形量在不同布置方式下存在差異，但總體上表現(xiàn)出兩幫變形量高于頂板的特征，因此巷道支護(hù)的重要內(nèi)容為控制幫部圍巖變形。隨著3下煤層巷道與3上煤層小煤柱水平間距的增加，巷道圍巖變形量逐漸變小。距離小煤柱0～30 m范圍內(nèi)，巷道受小煤柱附近集中應(yīng)力的影響較大，巷道圍巖變形曲線下降幅度比較大；當(dāng)間距大于30 m時(shí)，巷道圍巖變形曲線變化幅度不大，位移量趨近穩(wěn)定。位移監(jiān)測結(jié)果表明，當(dāng)巷道與3上煤層小煤柱水平間距在30 m時(shí)，采空區(qū)和殘余小煤柱對(duì)下煤層回采巷道圍巖變形影響不大。因此認(rèn)為在間距約30 m處開掘巷道，可以有效減小圍巖變形量，利于巷道的穩(wěn)定性控制。

3.4 塑性區(qū)分布情況分析

巷道圍巖塑性區(qū)的分布形式通常影響巷道的穩(wěn)定性，不同的巷道布置形式下，3下煤層回采巷道圍巖塑性區(qū)分布如圖6所示。由于受到上覆采空區(qū)煤柱影響，3下煤層回采巷道頂板及兩幫多處于卸載和塑性狀態(tài)，由此導(dǎo)致巷道變形量的增大。

圖6 3下煤層回采巷道圍巖塑性區(qū)分布

從圖6(a)～6(b)得知，當(dāng)回采巷道與3上小煤柱中心水平間距為0～10 m時(shí)，3下回采巷道位于3上小煤柱支撐壓力的影響范圍內(nèi)，巷道圍巖承受較大的應(yīng)力致使塑性區(qū)廣泛發(fā)育，巷道頂板產(chǎn)生貫通至3上煤層的塑性區(qū)，巷道底板完全破壞；當(dāng)回采巷道與3上小煤柱間隔20 m時(shí)，巷道底板破壞范圍較大，呈現(xiàn)向3上煤層小煤柱發(fā)育的趨勢；當(dāng)回采巷道與3上小煤柱間隔30 m時(shí)，巷道頂板及兩幫多處煤體處于塑性狀態(tài)；巷道塑性區(qū)范圍隨巷道與煤柱距離的增加而逐漸減小，圍巖的承載能力逐漸增強(qiáng)，巷道的穩(wěn)定性升高。由圖6(e)～6(f)得知，當(dāng)回采巷道與3上小煤柱間隔40～50 m時(shí)，巷道圍巖雖處于塑性狀態(tài)，圍巖塑性區(qū)僅在巷道兩幫及底板附近發(fā)育，但范圍相對(duì)較小，圍巖能夠自穩(wěn)。

3上煤層回采完成后，殘余小煤柱下方一定范圍內(nèi)存在應(yīng)力集中區(qū)，綜合不同巷道布置方案下圍巖的應(yīng)力、位移和塑性區(qū)的分析結(jié)果，3下煤層回采巷道與3上煤層小煤柱間隔不小于30 m時(shí)，圍巖可保持較好的穩(wěn)定性。隨著回采巷道與3上煤層小煤柱距離的增加，則所留設(shè)3下煤層煤柱的尺寸增大，容易造成煤炭資源浪費(fèi)。從經(jīng)濟(jì)利益角度來看，為了盡可能多地回收煤炭資源，同時(shí)避開應(yīng)力集中區(qū)域，增加巷道的穩(wěn)定性，3下煤層回采巷道與3上煤層小煤柱中心的水平間距約為30 m時(shí)，可保證安全回采。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)與監(jiān)測

數(shù)值模擬結(jié)果表明，在未支護(hù)條件下巷道幫部的位移量較大，因此在現(xiàn)場實(shí)際中著重加強(qiáng)了對(duì)巷道幫部的支護(hù)。當(dāng)3下回采巷道與上部采空區(qū)煤柱間隔30 m時(shí)，巷道掘進(jìn)期間的變形曲線如圖7所示。

圖7 巷道掘進(jìn)期間變形曲線

實(shí)測結(jié)果表明，回采巷道掘進(jìn)期間頂板下沉量不超過120 mm，兩幫變形量約為70 mm，其中兩幫變形量小于頂板下沉量，說明支護(hù)措施對(duì)巷道圍巖變形量起到了較好的控制作用。3下回采巷道巷與上部采空區(qū)煤柱間隔30 m布置時(shí)，巷道變形較小，能夠保持整體穩(wěn)定，滿足工作面生產(chǎn)需要。

5 結(jié)論

采用掃描電鏡、力學(xué)試驗(yàn)對(duì)厚煤層夾矸分岔區(qū)的巖性參數(shù)進(jìn)行分析，進(jìn)而采用數(shù)值模擬對(duì)分岔區(qū)下分層順槽的多種布置方案進(jìn)行對(duì)比優(yōu)選，所得結(jié)論如下：

1) 夾矸層和3下煤層受采動(dòng)影響破壞分析結(jié)果表明，上煤層開采將對(duì)其底板產(chǎn)生一定程度的損壞，上煤層開采影響下3下煤層頂板縫隙較大，圍巖顆粒呈現(xiàn)不連續(xù)的塊裂狀。

2) 數(shù)值模擬結(jié)果表明，距3上煤層殘余煤柱10～30 m內(nèi)，3下順槽垂直應(yīng)力集中情況下降明顯，在30～50 m內(nèi)，垂直應(yīng)力保持穩(wěn)定；當(dāng)回采巷道與3上小煤柱間隔大于30 m時(shí)，塑性區(qū)范圍和巷道位移量較小，巷道自穩(wěn)狀況良好；3下煤層回采巷道與3上煤層小煤柱中心的水平間距確定為30 m。

3) 工程應(yīng)用表明，回采巷道與殘余小煤柱中心的水平間距為30 m時(shí)，巷道變形較小，能夠保持整體穩(wěn)定，滿足工作面生產(chǎn)要求。