论文部分内容阅读
摘要：对于煤层群开采，随着煤层间距离减小，上下煤层间开采的相互影响会逐渐增大，特别是当煤层间距很近时，下部煤层开采前顶板的完整程度已受上部煤层开采损伤影响，其上又为上部煤层开采垮落的矸石，且上部煤层开采后残留的区段煤柱及一侧采空的煤体在底板形成的集中应力，导致下部煤层开采区域的顶板结构和应力环境发生变化。而回采巷道的矿山压力显现尤其明显，由于应力传递规律特殊，矿压显现的时空关系复杂，造成巷道围岩变形量大，支护困难，特别是当回采巷道布置与各煤层开采的时空关系不合理时，这种现象尤其严重。因此，研究近距离煤层群下部三软煤层回采巷道布置及围岩控制技术，对于近距离煤层群的安全高效开采具有重要意义。
关键词：三软煤层;回采巷道;围岩变形;数值模拟
中图分类号：TD325 文献标识码：A
0引言
煤炭是我国的主要能源，煤炭工业在我国国民经济中占有举足轻重的地位，在我国的一次性能源结构中煤炭所占的比重一直在67%以上，始终处于主体地位[1-6]。我国煤炭资源总量丰富，预测储量达5570Gt，已探明煤炭储量达114.5Gt。据预测，2020年全国煤炭需求量约占一次性能源消费的60%。但由于煤炭是不可再生资源，因此，在我国合理开发利用煤炭资源，减少事故的发生，对于维护社会稳定和促进国民经济持续发展有着特殊重要的意义。
由于成煤条件的不同，煤层的赋存条件各异。煤层厚度从不足一米到上百米，可采层数从一层到数十层，层间距离大小不等，有时还出现两层煤局部合并或分岔现象，煤层顶底板岩性及倾角更是千变万化。煤层赋存条件的复杂性和多变性，直接影响着煤炭企业的经济效益。如何在不同开采环境下，采取相应的技术措施，提高煤炭资源回收率，延长矿井寿命，实现安全、高效生产是煤炭企业一直关心的重要问题。
我国近距离煤层赋存和开采所占比重很大，大多矿区都存在近距离煤层群开采的问题，如大同矿区、西山矿区、新汶矿区、井陉矿区、平顶山矿区、淮南矿区等[7-12]。随着近年来快速发展的高产高效技术的发展，煤矿开采强度不断增大，大部分矿区开采条件好的煤层在较短的服务年限内接近枯竭，促使近距离煤层的开采问题迅速进入人们的视野，并引起高度重视。
某煤矿属于高瓦斯近距离煤层群开采条件，其北翼3+4号煤层24208回风巷（原胶带巷）存在巷道位置布置及支护参数不合理的情况，致使3+4号煤层24208回风巷（原胶带巷）受上部2号薄煤层保护层22201回采工作面开采的采动影响，巷道矿压显现强烈，制约着生产工作的顺利进行。因此，以某矿北翼22201工作面及24208回风巷（原胶带巷）地质条件为基础，开展近距离煤层群下部煤层回采巷道布置及围岩控制技术研究，对保证安全高效生产及工作面顺利接替具有重大意义。
1工程概況
某煤矿井田走向长22km，倾斜宽4.5～8km，面积约135km2。全井田地质储量2252.28Mt，工业储量2013.72Mt，可采储量1275.74Mt。设计生产能力3.0Mt/a，后经过技术改造生产能力提升为5.0Mt/a。矿井以两个水平开拓全井田，一水平开拓山西组2、3、4、5号煤，水平标高+400m，二水平开拓太原组6、8、9、10号煤。矿井目前生产水平为+400m水平。矿井北翼山西组2、3+4、5号煤层间距较近，2号煤层赋存于山西组中部，可采厚度0.70～1.46m，平均厚度1.1m，下距3+4号煤平均14m，下距5号煤平均22.1m，下距6号煤39.7m。3+4号重叠煤层厚度合并厚度平均4.62m，5号煤平均3.6m。24208工作面为北二采区第八个沿煤层倾向布置的长壁式回采工作面。其东面至北轨大巷;西面为开拓区;南面为正在回采的24207工作面;上方为2号煤层开采区，22201工作面为首采工作面。24208工作面煤层倾角平均4°，走向长1600m，工作面切眼长246m，工作面底板标高354m～467m，地面标高885m～1077m。
2下煤层回采巷道合理位置数值模拟分析
2.1 数值模型构建
通过数值模拟的方式寻求近距离煤层开采底板应力场演化规律。本次数值模拟主要是运用美国Itasca公司最近推出的新版本离散元软件UDEC 4.0（Universal Distinct Element Code）。UDEC4.0是一种基于非连续体模拟的离散单元二维数值计算程序，主要模拟静载或动载条件下非连续介质（如节理块体）的力学行为特征。非连续介质通过离散块体的组合来反映，单个块体以刚体和可变形体为表现形式并且可沿节理面运动及回转，因此，UDEC 4.0能够分析研究直接和不连续特征相关的潜在的岩体破坏方式，可以较准确地分析煤层开采造成的覆岩运动及破坏规律。以某煤矿北翼24208工作面综合柱状图为参照，建立现场二维数值计算模型。为消除模型尺寸太小对模拟结果准确性的影响，根据现场工作面实际施工情况，将模型尺寸设计为660X47.9m的长方形平面模型（图4-1）。模型采用摩尔—库仑模型且仅受重力作用，模型边界条件采用位移固定边界，其中两侧边界为单向约束，底部为双向约束。根据现场实际上边界载荷按采深514m计算。数值计算过程为：建立模型→原岩应力计算→煤层开挖→计算→结果输出。
2.2模拟方案设计
为了确定近距离煤层群开采下部煤层回采巷道合理位置，采用UDEC数值模拟软件分别在3+4号煤层原岩应力区、应力集中区和卸压区中布置巷道，对比分析不同应力区域中巷道垂直应力、塑性区和表面位移来确定下部煤层回采巷道合理位置，数值模拟模型如图4-1所示，数值模拟计算中对应的各岩层岩性力学参数见表4-1和表4-2。依据上节计算结果设计如下模拟方案：方案一，实体煤侧距上部煤层开采边缘17m处布置巷道;方案二，实体煤侧距上部煤层开采边缘47m处布置巷道;方案三，采空区侧距上部煤层开采边缘16m处布置巷道。 3 数值模拟结果分析
数值模拟方案一、方案二和方案三的巷道围岩塑性区变化如下图1所示。
由图1可知，因受上部煤层开采影响，在非对称高围岩应力的作用下，布置于应力集中区中的巷道左帮围岩松动圈半径为4.42m，右帮围岩松动圈为4.93m，塑性区单元为360，拉伸破坏单元为15。原岩应力区中布置的巷道未受到采动影响，围岩应力相对集中应力区较小，巷道两帮围岩松动范围均为2.24m，塑性单元为340，拉伸破坏单元为5，布置于原岩应力区中的巷道围岩松动圈较小，巷道围岩稳定易于实现。受上煤层开采影响，卸压区中岩体处于塑性状态，布置于该区域中的巷道虽然处于低应力环境下，但塑性状态的岩体对巷道围岩稳定性会产生一定的影响。
3结论
数值模拟分析表明：在近距离三软煤层下行开采中，为了保证下部煤层回采巷道围岩稳定，下煤层回采巷道应避开上部煤层开采在下部煤层引起的应力集中区域，将巷道布置于上部煤层开采稳定后的原岩应力区或卸压区中，以使巷道处于比较好的维护环境下，其中以卸压区布置方式最为理想。
参考文献
[1] 闫建兵，张东峰，张小强，张佳飞.复采工作面横跨煤柱上覆岩层运移规律研究[J].矿业安全与环保，2018，45（5）：37-41.
[2] 崔聪，张浪.水力压裂对煤层应力影响的实验研究[J].矿业安全与环保，2018，45（4）：12-16.
[3] 苏涛，梁冰，李刚.晋华宫矿多煤层开采围岩运动规律模拟与试验研究[J].矿业安全与环保，2018，45（2）：30-35.
[4] 霍丙杰，范张磊，路洋波，等.保护层开采被保护层体积应变与渗透特性相似模拟研究[J].煤炭科学技术，2018，46（7）：19-25.
[5] 昌修林，张培森，阳 华，等.采动诱发断层活化规律相似模拟试验研究[J].煤炭科学技术，2018，46（6）：107-110.
[6] 王保平， 康志勤.采空区覆岩及地表变形规律相似模拟研究[J].煤炭技术，2018，36（9）：65-67.
[7] 齐黎明， 张旭锟.松软煤层裂隙发育规律相似模拟实验研究[J].煤炭技术，2018，37（5）：1651-68.
[8] 浦海，张柬.断层影响下顶板突水特性的数值模拟研究[J].采矿与安全工程学报，2010，27（3）：421-424.
[9] 樊志刚，王辉跃，曲晓明，等.三软厚煤层错层位巷道布置相似模拟试验[J].煤矿安全，2018，49（1）：65-68.
[10] 王炯，朱道勇，宫伟力，等.切顶卸压自动成巷岩层运动规律物理模拟实验[J].岩石力学与工程学报，2018，37（11） ：2536-2547.
[11] 卜万奎，徐 慧.某矿区带压开采逆斷层活化及突水性分析[J].煤炭学报，2011，36（7） ：1177-1183.
[12] 李见波，陈新明，贾明奎.断层上下盘采动活化突水数值模拟研究[J].煤炭工程，2012（6） ：86-88.
六盘水师范学院大学生创新创业训练计划项目（项目编号：2021cxcy50）
作者简介：
成旺（1998.09-），男，汉族，贵州省七星关区人，在读本科学生，主要从事采矿工程专业方面的学习和研究。
关键词：三软煤层;回采巷道;围岩变形;数值模拟
中图分类号：TD325 文献标识码：A
0引言
煤炭是我国的主要能源，煤炭工业在我国国民经济中占有举足轻重的地位，在我国的一次性能源结构中煤炭所占的比重一直在67%以上，始终处于主体地位[1-6]。我国煤炭资源总量丰富，预测储量达5570Gt，已探明煤炭储量达114.5Gt。据预测，2020年全国煤炭需求量约占一次性能源消费的60%。但由于煤炭是不可再生资源，因此，在我国合理开发利用煤炭资源，减少事故的发生，对于维护社会稳定和促进国民经济持续发展有着特殊重要的意义。
由于成煤条件的不同，煤层的赋存条件各异。煤层厚度从不足一米到上百米，可采层数从一层到数十层，层间距离大小不等，有时还出现两层煤局部合并或分岔现象，煤层顶底板岩性及倾角更是千变万化。煤层赋存条件的复杂性和多变性，直接影响着煤炭企业的经济效益。如何在不同开采环境下，采取相应的技术措施，提高煤炭资源回收率，延长矿井寿命，实现安全、高效生产是煤炭企业一直关心的重要问题。
我国近距离煤层赋存和开采所占比重很大，大多矿区都存在近距离煤层群开采的问题，如大同矿区、西山矿区、新汶矿区、井陉矿区、平顶山矿区、淮南矿区等[7-12]。随着近年来快速发展的高产高效技术的发展，煤矿开采强度不断增大，大部分矿区开采条件好的煤层在较短的服务年限内接近枯竭，促使近距离煤层的开采问题迅速进入人们的视野，并引起高度重视。
某煤矿属于高瓦斯近距离煤层群开采条件，其北翼3+4号煤层24208回风巷（原胶带巷）存在巷道位置布置及支护参数不合理的情况，致使3+4号煤层24208回风巷（原胶带巷）受上部2号薄煤层保护层22201回采工作面开采的采动影响，巷道矿压显现强烈，制约着生产工作的顺利进行。因此，以某矿北翼22201工作面及24208回风巷（原胶带巷）地质条件为基础，开展近距离煤层群下部煤层回采巷道布置及围岩控制技术研究，对保证安全高效生产及工作面顺利接替具有重大意义。
1工程概況
某煤矿井田走向长22km，倾斜宽4.5～8km，面积约135km2。全井田地质储量2252.28Mt，工业储量2013.72Mt，可采储量1275.74Mt。设计生产能力3.0Mt/a，后经过技术改造生产能力提升为5.0Mt/a。矿井以两个水平开拓全井田，一水平开拓山西组2、3、4、5号煤，水平标高+400m，二水平开拓太原组6、8、9、10号煤。矿井目前生产水平为+400m水平。矿井北翼山西组2、3+4、5号煤层间距较近，2号煤层赋存于山西组中部，可采厚度0.70～1.46m，平均厚度1.1m，下距3+4号煤平均14m，下距5号煤平均22.1m，下距6号煤39.7m。3+4号重叠煤层厚度合并厚度平均4.62m，5号煤平均3.6m。24208工作面为北二采区第八个沿煤层倾向布置的长壁式回采工作面。其东面至北轨大巷;西面为开拓区;南面为正在回采的24207工作面;上方为2号煤层开采区，22201工作面为首采工作面。24208工作面煤层倾角平均4°，走向长1600m，工作面切眼长246m，工作面底板标高354m～467m，地面标高885m～1077m。
2下煤层回采巷道合理位置数值模拟分析
2.1 数值模型构建
通过数值模拟的方式寻求近距离煤层开采底板应力场演化规律。本次数值模拟主要是运用美国Itasca公司最近推出的新版本离散元软件UDEC 4.0（Universal Distinct Element Code）。UDEC4.0是一种基于非连续体模拟的离散单元二维数值计算程序，主要模拟静载或动载条件下非连续介质（如节理块体）的力学行为特征。非连续介质通过离散块体的组合来反映，单个块体以刚体和可变形体为表现形式并且可沿节理面运动及回转，因此，UDEC 4.0能够分析研究直接和不连续特征相关的潜在的岩体破坏方式，可以较准确地分析煤层开采造成的覆岩运动及破坏规律。以某煤矿北翼24208工作面综合柱状图为参照，建立现场二维数值计算模型。为消除模型尺寸太小对模拟结果准确性的影响，根据现场工作面实际施工情况，将模型尺寸设计为660X47.9m的长方形平面模型（图4-1）。模型采用摩尔—库仑模型且仅受重力作用，模型边界条件采用位移固定边界，其中两侧边界为单向约束，底部为双向约束。根据现场实际上边界载荷按采深514m计算。数值计算过程为：建立模型→原岩应力计算→煤层开挖→计算→结果输出。
2.2模拟方案设计
为了确定近距离煤层群开采下部煤层回采巷道合理位置，采用UDEC数值模拟软件分别在3+4号煤层原岩应力区、应力集中区和卸压区中布置巷道，对比分析不同应力区域中巷道垂直应力、塑性区和表面位移来确定下部煤层回采巷道合理位置，数值模拟模型如图4-1所示，数值模拟计算中对应的各岩层岩性力学参数见表4-1和表4-2。依据上节计算结果设计如下模拟方案：方案一，实体煤侧距上部煤层开采边缘17m处布置巷道;方案二，实体煤侧距上部煤层开采边缘47m处布置巷道;方案三，采空区侧距上部煤层开采边缘16m处布置巷道。 3 数值模拟结果分析
数值模拟方案一、方案二和方案三的巷道围岩塑性区变化如下图1所示。
由图1可知，因受上部煤层开采影响，在非对称高围岩应力的作用下，布置于应力集中区中的巷道左帮围岩松动圈半径为4.42m，右帮围岩松动圈为4.93m，塑性区单元为360，拉伸破坏单元为15。原岩应力区中布置的巷道未受到采动影响，围岩应力相对集中应力区较小，巷道两帮围岩松动范围均为2.24m，塑性单元为340，拉伸破坏单元为5，布置于原岩应力区中的巷道围岩松动圈较小，巷道围岩稳定易于实现。受上煤层开采影响，卸压区中岩体处于塑性状态，布置于该区域中的巷道虽然处于低应力环境下，但塑性状态的岩体对巷道围岩稳定性会产生一定的影响。
3结论
数值模拟分析表明：在近距离三软煤层下行开采中，为了保证下部煤层回采巷道围岩稳定，下煤层回采巷道应避开上部煤层开采在下部煤层引起的应力集中区域，将巷道布置于上部煤层开采稳定后的原岩应力区或卸压区中，以使巷道处于比较好的维护环境下，其中以卸压区布置方式最为理想。
参考文献
[1] 闫建兵，张东峰，张小强，张佳飞.复采工作面横跨煤柱上覆岩层运移规律研究[J].矿业安全与环保，2018，45（5）：37-41.
[2] 崔聪，张浪.水力压裂对煤层应力影响的实验研究[J].矿业安全与环保，2018，45（4）：12-16.
[3] 苏涛，梁冰，李刚.晋华宫矿多煤层开采围岩运动规律模拟与试验研究[J].矿业安全与环保，2018，45（2）：30-35.
[4] 霍丙杰，范张磊，路洋波，等.保护层开采被保护层体积应变与渗透特性相似模拟研究[J].煤炭科学技术，2018，46（7）：19-25.
[5] 昌修林，张培森，阳 华，等.采动诱发断层活化规律相似模拟试验研究[J].煤炭科学技术，2018，46（6）：107-110.
[6] 王保平， 康志勤.采空区覆岩及地表变形规律相似模拟研究[J].煤炭技术，2018，36（9）：65-67.
[7] 齐黎明， 张旭锟.松软煤层裂隙发育规律相似模拟实验研究[J].煤炭技术，2018，37（5）：1651-68.
[8] 浦海，张柬.断层影响下顶板突水特性的数值模拟研究[J].采矿与安全工程学报，2010，27（3）：421-424.
[9] 樊志刚，王辉跃，曲晓明，等.三软厚煤层错层位巷道布置相似模拟试验[J].煤矿安全，2018，49（1）：65-68.
[10] 王炯，朱道勇，宫伟力，等.切顶卸压自动成巷岩层运动规律物理模拟实验[J].岩石力学与工程学报，2018，37（11） ：2536-2547.
[11] 卜万奎，徐 慧.某矿区带压开采逆斷层活化及突水性分析[J].煤炭学报，2011，36（7） ：1177-1183.
[12] 李见波，陈新明，贾明奎.断层上下盘采动活化突水数值模拟研究[J].煤炭工程，2012（6） ：86-88.
六盘水师范学院大学生创新创业训练计划项目（项目编号：2021cxcy50）
作者简介：
成旺（1998.09-），男，汉族，贵州省七星关区人，在读本科学生，主要从事采矿工程专业方面的学习和研究。