突出礦井近距離煤層聯(lián)合開采一面三巷布置探索與實踐

劉東亮

(太原華潤煤業(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效益以及生產安全。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,上位煤層工作面開采后的遺留煤柱對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,則可以實現(xiàn)無煤柱開采[2],保證頂板安全；且通過在2#煤層布置的瓦斯治理巷進行打鉆抽采,能夠保證有充足的時間治理下鄰近層的瓦斯[3]。同時,“一面三巷”的巷道布置能夠實現(xiàn)一巷多用,降低掘進量,保證礦井生產接續(xù),且工作面采用Y型通風,能夠解決上隅角瓦斯治理的難題。

本文重點研究下位煤層瓦斯治理巷的布置方式,采用FLAC3D 5.00軟件對近距離煤層應力場演化規(guī)律[4-5]進行分析,確定合理的巷道空間位置及合理掘進時機。

1 工程概況

原相煤礦為煤與瓦斯突出礦井,設計生產能力90萬t/a,現(xiàn)開采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#煤層作為保護層先進行開采。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,南部目前無采掘活動,西部為礦界,工作面走向長975 m,傾向長204.5 m,煤層厚度1.6～2.0 m,見圖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的砂質泥巖,直接底為1.75 m的細砂巖,基本底為2.7 m的砂質泥巖。2#煤層基本頂為2.0 m的砂質泥巖,直接頂為2.3 m的泥質砂巖,直接底為0.69 m的粉砂巖,基本底為1.36 m的砂質泥巖。工作面布置采用“一面三巷”“兩進一回”的布置方式,包括兩條02#煤層巷道(10209皮帶順槽、10209軌道順槽進風),一條2#煤層巷道(10209瓦斯治理巷回風)。

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壓影響,產生圍巖變形量大,維護困難,甚至出現(xiàn)報廢及無法使用的情況,缺乏相應的定量指導數(shù)據(jù)。

2.1 10209瓦斯治理巷道布置原則

由于礦井生產相對集中,當02#煤層10207工作面回采結束后,需在采空區(qū)不斷壓實的狀態(tài)下,在下位沿2#煤層布置10209瓦斯治理巷。該巷道屆時將發(fā)揮三方面用途:作為底抽巷，服務于上位10209工作面的瓦斯抽采;服務于下位1209工作面的瓦斯抽采;作為軌道順槽,服務于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的服務年限,因此良好的空間定位才能便于長時間服務的頂?shù)装寰S護。

2.2 數(shù)值分析模型的建立

采用FLAC3D 5.00軟件對近距離煤層應力場演化規(guī)律進行模擬,建立的數(shù)值模型能夠容納兩個回采工作面和受其回采動壓影響的深部巖體的范圍,并考慮一定的邊界效應,故將模型尺寸確定為400 m×400 m×80 m的長方體。模型中各層位的厚度與實際巖層厚度比為1∶1。模型的頂部實際為K4含礫粗粒砂巖的上覆中粒砂巖層。根據(jù)巖層等效載荷計算公式可知γ=0.025 MPa/m,因此需要對模型頂部施加18.0 MPa的垂向均布載荷,且該垂向應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,并應盡量增大與10209工作面的水平距離。但是隨著錯距增大,瓦斯抽采鉆孔的工作量及抽采難度增大,而錯距過小將會導致掘進及后期維護過程中的困難增大。

為了確定瓦斯治理巷的空間位置,首先在2#煤層內圈定長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,以便對應力分布特征及巖體塑性破壞區(qū)域進行研究。按照理想化假設,在數(shù)值模型中10207工作面回采結束,且采空區(qū)的壓實過程由劇烈下沉變?yōu)橼呌诜€(wěn)定時,再行回采10209工作面,觀察瓦斯巷待選區(qū)周圍巖體的應力分布情況,以避開應力增高區(qū)為原則,對下位煤層瓦斯巷的空間位置進行初選。從圖2可以看出,待選區(qū)靠近10209工作面的區(qū)域位于應力升高區(qū),巷幫及底板的應力增高系數(shù)約為1.30,因此應將該區(qū)域排除。圖中所示的初選位置均位于壓應力降低區(qū),且該區(qū)域巖體未發(fā)生塑性破壞。

(a)垂向應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

通過分析數(shù)值模型內測點記錄的數(shù)據(jù),可以定量反映出該區(qū)域巖體內的應力演化規(guī)律。兩應力測點分別位于圖2中位置初選區(qū)域頂部和幫部的中心點,坐標為(324,290,25)和(324,290,24),分別記錄兩測點的垂向和水平應力,結果如圖3所示。

(a)頂板測點垂向應力變化曲線

(b)幫部測點水平應力變化曲線圖3 測點應力變化曲線Fig.3 Stress curves of measuring points

圖3(a)顯示,測點處的垂向原巖應力(壓應力)約為19.0 MPa,隨著數(shù)值運算步數(shù)增多,工作面超前應力場的影響范圍逐漸增大,使得該測點處的巖體應力重新分布,并出現(xiàn)了輕微拉應力,放大后的圖像顯示最大拉應力值約1.0 MPa。根據(jù)現(xiàn)場采集煤巖樣本的力學測試結果可知,2#煤層頂板砂質泥巖的拉應力約為2.12 MPa,所以該區(qū)域出現(xiàn)的拉應力不會對巷道頂板造成明顯影響。最終,測點處巖體內拉應力值平衡在0.7 MPa左右。對于圖3(b),測點處的水平應力(壓應力)約為10.0 MPa,與上一測點處的應力演化規(guī)律相似,幫部測點水平應力由壓應力變化為拉應力,峰值約1.0 MPa,最終值約0.7 MPa。對于測點的應力演化規(guī)律分析,進一步印證了模擬分析得到的結論,即可將10209瓦斯治理巷布置在圖2所示的初選位置內,對應的實際空間位置為巷道中心點與上位10209軌道順槽中心點水平距離大于12 m處。

基于空間位置初選的結果,設計了不同的巷道空間位置方案(表2),分別采用數(shù)值模型進行計算,通過對比圖像與測點數(shù)據(jù),篩選出最優(yōu)方案,從而確定10209瓦斯治理巷對應的實際空間位置。

表2 各方案對應的實際空間位置與模型位置Table 2 The actual position and model position of plans

對以上分析結果進行匯總,以巷道圍巖變形量為評判指標,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ORIGIN軟件繪制在同一圖像上,從而形成直觀對比,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。隨著水平錯距在20 m(方案3)的基礎上進一步增大,頂板下沉的減小趨勢逐漸變緩。產生這種現(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)場經驗,進一步增大水平錯距,有利于增加10209瓦斯治理巷的圍巖穩(wěn)定性;另一方面受經濟因素制約,水平錯距進一步增加將加大瓦斯抽采鉆孔的鉆進長度及抽采難度。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 瓦斯治理巷掘進合理時機選擇

在進行下位煤層10209瓦斯治理巷掘進時機研究時,仍采用數(shù)值模擬和理論分析為主的研究手段。在10207工作面上方兩個區(qū)域內布置測點,測點1-4位于10207工作面中部的正上方,測點5-8位于瓦斯巷正上方;第一層測點(1和5)位于直接頂砂質泥巖內,第二層測點(2和6)位于細粒砂巖頂部,第三層測點(3和7)位于粉砂巖頂部,第四層測點(4和8)位于K4含礫粗粒砂巖中部。以上全部測點主要對10207工作面回采過程中覆巖在垂直方向上的位移及應力進行記錄,并自動生成時步-位移和時步-應力變化曲線。通過不同測點之間的對比,找到工作面覆巖達到最大下沉值并趨于穩(wěn)定的最長運算時步,建立模型時步與真實時間的對應關系,并通過計算將采空區(qū)穩(wěn)定時步換算為真實時間,從而確定巷道的最短安全掘進時間。10207工作面上方各測點處的位移變化曲線,如圖5所示。

(a)測點1-4位移變化曲線

(b)測點5-8位移變化曲線圖5 測點位移-時步曲線Fig.5 Curves of displacement-time step of measuring points

測點1-4依次對應于圖5中編號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生協(xié)調下沉,且速度近乎相同,因此選擇下沉量最大的頂板測點1做進一步分析。測點5-8依次對應于圖5中編號51、96、123和132所示的曲線,該區(qū)域測點與1-4有著相似的規(guī)律,不同的是,由于該列測點中最上方的8號測點位于模型上表面移動盆地的邊緣,導致其在垂直方向上產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點5與測點1在應力變化規(guī)律上進一步對比,如圖6所示。

圖6 測點1和5的垂向應力變化曲線Fig.6 Vertical stress curves of No.1 and No.5 measuring point

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

根據(jù)前期在10207瓦斯治理巷的實測數(shù)據(jù)以及模型的計算結果,可以認為數(shù)值模擬中的2 750步近似等價于真實時間的38 d。由于10209瓦斯治理巷最短安全掘進時步為7 550,經計算得到掘進該巷道的最少時間間隔為104 d。

4 巷道穩(wěn)定性分析

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

圖7 測站布置平面示意圖Fig.7 Layout of measuring points

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

(a)B1-B3測站

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

經分析,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 結論

針對原相煤礦02#煤層工作面“一面三巷”布置方式存在的技術難點,通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測對下位煤層巷道布置進行了分析,結論如下:

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

2)通過監(jiān)測數(shù)值模型中測點的位移和應力變化量,得到了10209瓦斯治理巷的最短安全掘進時步為7 550,并通過數(shù)值模擬及現(xiàn)場實測反演結果,建立了模型時步與真實時間的對應關系,計算得到了瓦斯巷的最短安全掘進時間為104 d。

3)從整體上看,10209瓦斯治理巷的圍巖穩(wěn)定性較好,驗證了所研究的空間位置、掘進時機的科學有效性。

4)原相煤礦10209工作面“一面三巷,Y型通風”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,并實現(xiàn)了10209瓦斯治理巷的一巷多用,降低了巷道掘進率,節(jié)約了成本,保證了正常的生產接續(xù)。