极近距离煤层巷道应力-位移与空间关系研究_张晓明.pdf

502023 年第 2 期极近距离煤层巷道应力-位移与空间关系研究张晓明1 黄井武1 石海波2（1.山东丰源集团单县丰源实业有限公司，山东 菏泽 274330；2.山东能源枣矿集团柴里煤矿，山东 枣庄 277519）摘 要 为研究极近距离煤层开采过程中下分层巷道受多次采动影响围岩控制极度困难的问题，以柴里煤矿3下616 轨道巷为工程背景，通过数值模拟研究 3下616 轨道巷位置与其围岩应力、位移特征的关系，以选取最佳巷道位置，降低支护难度。结果表明：回采巷道布置最佳为内错式，使巷道处于采空区下部；掘巷位置到上层采空区的水平距离取 4 m 可行，取 510 m 较优。关键词 近距离；煤层；巷道；位置中图分类号 TD822+.2 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.02.019Study on the Relationship Between Stress-displacement and Space of Roadway in Extreme Close Distance Coal SeamZhang Xiaoming1 Huang Jingwu1 Shi Haibo2(1.Shandong Fengyuan Group Shanxian Fengyuan Industrial Co.,Ltd.,Shandong Heze 274330;2.Chaili Coal Mine of Shandong Energy Zaozhuang Mining Group,Shandong Zaozhuang 277519)Abstract:In order to study the extremely difficult problem of surrounding rock control of lower layered roadway affected by multiple mining in the process of extreme close distance coal seam mining,taking the 3lower616 track roadway in Chaili Coal Mine as the engineering background,the relationship between the location of the 3lower616 track roadway and its surrounding rock stress and displacement characteristics is studied by numerical simulation,in order to select the best roadway position and reduce the difficulty of support.The results show that the best layout of mining roadway is internal staggered,which makes the roadway in the lower part of the goaf,it is feasible that the horizontal distance from the roadway driving position to the upper goaf is 4 m,and the better distance is 5-10 m.Key words:close distance;coal seam;roadway;position 收稿日期 2022-08-03作者简介 张晓明（1973），男，江西九江人，1993 年毕业于山东科技大学采矿工程专业，本科，高级工程师，现从事采掘管理技术工作，研究方向：矿山采掘技术。张晓明等：极近距离煤层巷道应力-位移与空间关系研究张晓明等：极近距离煤层巷道应力-位移与空间关系研究柴里煤矿 3下煤层开采过程中，3上煤层采空区顶板岩层破断垮落已经稳定，围岩应力重新分布1-4。3下煤层在回采时的顶板是受扰动、破坏的层间岩层和上部煤层直接顶垮落的矸石，其顶板边界条件是散体边界条件，所以 3上煤层开采过程中的动力影响对底板造成一定的损伤破坏，加剧了 3下煤层顶板的破碎程度5-10。基于此，对 3下煤层不同位置的回采巷道应力与位移特征进行了研究，以期选取最佳位置，降低支护难度。1 工程背景山东柴里煤矿地面标高为+35.81+36.78 m，3上和 3下煤层为其主采煤层，236 采区井下标高为-333.5-382.0 m。3下616 轨道巷 3 煤以中矸为标志分为3上煤、3下煤，中矸厚1.1015.50 m，平均5.35 m；3下煤厚 2.904.60 m，平均 3.52 m。3 煤伪顶为泥岩，厚 0.201.00 m，经上分层开采已冒落；直接顶为砂质泥岩，厚 1.515.84 m，经上分层开采已冒落；基本顶为中砂岩，厚 6.5023.14 m；直接底为泥岩，厚 0.403.40 m；基本底为砂泥岩互层或中砂岩，厚 1.9014.57 m。3下616 轨道巷位于 236 采区东北部，北为 3下616 工作面设计面里，南为 3下617 综放工作面设计面里，西为 23308 工作面采空区，东为未开采区。由于 3下616 轨道巷受采动应力的影响，预计巷道压力将总体较大，可能造成老巷道交叉点、贯通点附近围岩应力集中，所以巷道位置选择极其重要。512023 年第 2 期张晓明等：极近距离煤层巷道应力-位移与空间关系研究张晓明等：极近距离煤层巷道应力-位移与空间关系研究2 极近距离煤层回采巷道布置方式分析近距离煤层开采时，下层回采巷道布置方式主要包括外错式和内错式，如图1和图2。如图1所示，巷道处于与采空区邻近的实体煤下，受到上覆煤岩层侧向支承压力的影响，在回采巷道处产生一定的应力集中，虽然巷道上部为实体煤及中矸，但是围岩控制难度仍然较大。如图 2 所示，巷道位于采空区下部，上部采空区垮落稳定后上覆顶板已被卸压，作用在 3下煤层巷道的压力不大，但是 3下煤层顶板较薄，中矸与顶煤总厚度处于 28 m 之间，锚杆索对其加固后能够调动破碎顶板的自承载能力，但是无法锚固在上部稳定岩层中，所以对锚网支护技术要求较高。综合考虑选取巷道为内错式布置。图 1 3下煤层外错式巷道位置示意图图 2 3下煤层内错式巷道位置示意图对于内错式巷道的具体位置还需要进一步研究，因为上部虽为岩层垮落压实的采空区，但上覆岩层仍然会产生弯曲、下沉、垮落，所以仍会在采空区位置产生侧向支承压力，内错式巷道需要承受其上部采空区上覆岩层的部分侧向支承压力。为避开应力集中区域，内错式巷道可设定在采空区边缘侧或应力集中区域的左侧。而位于应力集中区域左侧的巷道导致煤炭资源浪费严重，所以设定在采空区边缘侧较佳。由于采空区上覆岩层的部分侧向支承压力曲线尚且未知，所以从直观上难以确定其位置，在后续将通过数值模拟软件对选取的几种巷道位置进行研究，分析不同位置巷道的应力和位移，以确定最佳的巷道位置。3 不同位置 3下回采巷道应力与位移分析3.1 数值模型的建立根据 3下煤层顶底板岩层力学参数建立数值模型，模型尺寸为 200 m 125 m100 m，网格数目为 36.9 万，根据埋深计算出顶部加载垂直应力 10 MPa，左右边界和底部边界采用固定约束。3.2 研究方案研究 3上煤层开采后，待上覆岩层冒落稳定，选取 4 种不同的巷道与上部采空区边界的位置，模拟巷道与采空区边界分别为 0 m、4 m、10 m、20 m时巷道的应力和变形。图 3 是 3上煤层开采后围岩最大主应力分布云图。图 3 3上煤层开采后围岩最大主应力分布由图 3 可知，上层煤开采前围岩最大主应力的分布与垂直应力分布趋势一致，应力值约 17.5 MPa。上层煤开采后，围岩最大主应力集中峰值达到 40 MPa，集中区主要分布在采空区两侧。以集中系数 1.0 作为卸压区与应力集中区的分界线，下层煤开采时，建议将掘巷位置定在最大主应力卸压区。数值模拟结果表明，下层煤掘巷位置距离上层煤采空区边界垂直距离超过 5 m 时，受围岩最大主应力的影响较小；水平距离 5 m 左右时，既能够避免高应力的影响，又可以较大限度地采出煤炭资源。图 4 3下煤层最大主应力监测结果图 4 为 3下煤层最大主应力监测结果。掘巷位置到上层采空区边界的水平距离为 23 m 时，应力水平为正常区间，距离 410 m 为卸压演变区间，距离超过 11 m 为完全卸压区。鉴于初步分析模型比较粗糙，对于具体的方案，需在下一步模拟中通过对下巷开掘后的几个指标进行对比优选。3.3 结果分析（1）应力分析对不同掘巷位置条件下巷道顶板、底板、左帮、右帮应力进行监测。结果显示，左帮垂直应力在水522023 年第 2 期5 结语（1）通过对破碎围岩变形破坏机理分析，对原支护技术参数进行优化，并确定了“中空注浆锚索+锚杆”联合支护方案。（2）现场工业性试验结果显示，3304 运输顺槽的变形量满足安全生产需要。从现场钻孔窥视结果可知，采用“中空注浆锚索+锚杆”联合支护方案可以有效提高破碎岩体的完整性，表明该支护技术对破碎围岩巷道进行加固的适用性。（上接第 49 页）平间距为 0 m 时较高；右帮垂直应力随水平间距的增大而减小；顶板水平应力随水平间距的增大而增大；底板水平应力随水平间距的增大而减小。经过巷道围岩应力对比得出，建议掘巷位置可选 4 m、10 m、20 m。（2）位移分析对不同掘巷位置条件下巷道顶板、底板、左帮、右帮位移进行监测，结果显示，不同掘巷位置条件下左帮位移为 1.252.0 mm，间距 4 m 和 20 m 时左帮位移较小；右帮位移为 27 mm，间距 4 m 和 20 m 时位移较小；顶板位移为 1252 mm，间距 0 m和 40 m 时位移较小；底板位移为 224 mm，间距 0 m 和 4 m 时位移较小。总的趋势是掘巷位置到上采空区边界的水平间距越大，巷道两帮的位移越小，顶底板的位移越大。经过巷道围岩应力对比，建议掘巷位置可选 4 m、20 m。综上，考虑上层工作面开采后底板及下层煤的应力分布，结合不同位置的巷道位移分布，可以看出掘巷位置到上层采空区的水平距离不宜过小，认为取 4 m 水平间距掘巷可行，取 510 m 较优。4 结论（1）考虑选取巷道为内错式布置，使巷道处于采空区下部，上部采空区垮落稳定后上覆顶板岩层被卸压，减小了 3下煤层巷道的压力。（2）考虑上层工作面开采后底板及下层煤的应力分布，结合不同位置的巷道位移分布，可以看出掘巷位置到上层采空区的水平距离不宜过小，认为取 4 m 水平间距掘巷可行，取 510 m 较优。【参考文献】1 程辉，赵洪宝，张欢，等.近距离煤层工作面煤柱合理留设与巷道围岩控制技术 J.工程科学学报，2022，44（07）：1147-1159.2 程辉，赵洪宝，张欢，等.近距离煤层回采巷道底臌机理与防治技术研究 J.中南大学学报（自然科学版），2022，53（04）：1392-1405.3 孙胜，赵春景，贺健宇，等.范各庄矿近距离煤层开采工作面巷道布置研究 J.煤炭工程，2022，54（02）：12-18.4 何富连，康庆涛，殷帅峰，等.近距离煤层顶板煤柱集中应力影响机制J.采矿与安全工程学报，2020，37（06）：1077-1083.5 王厚柱，鞠远江，秦坤坤，等.深部近距离煤层开采底板破坏规律实测对比研究 J.采矿与安全工程学报，2020，37（03）：553-561.6 彭高友，高明忠，吕有厂，等.深部近距离煤层群采动力学行为探索 J.煤炭学报，2019，44（07）：1971-1980.7 王龙飞，常泽超，杨战标，等.深井近距离煤层群采空区下回采巷道联合支护技术 J.采矿与安全工程学报，2018，35（04）：686-692.8 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