极近距离煤层下煤层回采巷道内错布置合理错距的研究

第２４卷第１１期　２０１５年１１月　中　国　矿　业　ＣＨＩＮＡ　ＭＩＮＩＮＧ　ＭＡＧＡＺＩＮＥ　Ｖｏ１．２４，Ｎｏ．１１　ＮＯＶ．　２Ｏｌ５　极近距离煤层下煤层回采巷道内错　布置合理错距的研究　元永国　（辽源职业技术学院，吉林辽源１３６２０１）　摘要：通过理论计算和数值计算方法研究了某煤矿极近距离煤层上煤层回采后下煤层回采巷道内　错式布置的合理错距，通过理论计算确定该矿下煤层回采巷道内错式布置的合理错距为大于６．３ｌｍ；运用　数值计算分析上煤层回采后下煤层顶板应力分布规律及下煤层回采巷道内错布置在不同位置时巷道的受　力情况。确定了该矿下煤层回采巷道内错式布置的合理错距为大于等于６ｍ。　关键词：极近距离煤层；下煤层；回采巷道；合理错距　中图分类号：ＴＤ２６３．１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００４—４０５１（２０１５）ｌｌ一０１Ｏ４一Ｏ４　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｉｎｔｏ　ｔｈｅ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　ｏｆｆｓｅｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｕｌｔｒａ—ｃｌｏｓｅ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｓｅａｍｓ　ｏｆ　ｃｏａｌ　ｍｉｎｅ　ＹＵＡＮ　Ｙｏｎｇ　ｇｕｏ　（Ｌｉａｏｙｕａｎ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｌｉａｏｙｕａｎ　１３６２０１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｕｌｔｒａ—ｃｌｏｓｅ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｓｅａｍｓ　ｏｆ　ｃｏａｌ　ｍｉｎｅ，ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ　ｔｈｅ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　ｏｆｆｓｅｔｓ　ｉｎ　ｔｙｐｅ　ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｕｌｔｒａ—ｃｌｏｓｅ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｓｅａｍｓ　ａｆｔｅｒ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈｅｒ　ｃｏａｌ　ｓｅａｍ　ｍｉｎｅｄ　ｆｏｒ　ｍｏｒｅ　ｔｈａｎ　６．３１ｍ　ｂｙ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｔＯ　ｓｅａｍ　ｒｏｏｆ　ｓｔｒｅｓｓ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ａｆｔｅｒ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈｅｒ　ｃｏａｌ　ｓｅａｍ　ｍｉｎｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｆｏｒｃｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｄｉｓｔａｎｃｅｓ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｍｉｎｉｎｇ　ｒｏａｄｗａｙ　ａｎｄ　ｃｏａｌ　ｓｅａｍ　ｅｄｇｅ．　Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ　ｔｈｅ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　ｏｆｆｓｅｔｓ　ｉｎ　ｔｙｐｅ　ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｕｌｔｒａ—ｃｌｏｓｅ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｓｅａｍｓ　ａｆｔｅｒ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈｅｒ　ｃｏａｌ　ｓｅａｍ　ｍｉｎｅｄ　ｉＳ　６ｍ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｕｌｔｒａ—ｃｌｏｓｅ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｓｅａｍｓ；ｌｏｗｅｒ　ｃｏａｌ　ｓｅａｍ；ｔｈｅ　ｍｉｎｉｎｇ　ｒｏａｄｗａｙ；ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　ｏｆｆｓｅｔｓ　极近距离煤层开采时，由于层间距较小，上煤　层的开采对下煤层开采影响严重，这种极近距离煤　层在我国广泛分布口　］。由于上煤层的开采破坏了　下部煤层顶板的完整性，且上部煤层回采后煤体边　缘集中应力向底板传递Ｉ３　，使得下煤层回采巷道位　置的布置成为一个难题。大量理论分析认为，下煤　层的回采巷道内错布置在上煤层采空区下方的应　力降低区内为好［４。］，但下煤层回采巷道具体布置在　什么位置需要根据实际的开采条件而定。本文根　据某煤矿层间距为５．３２ｍ极近距离煤层实际地质　条件，采用理论计算确定下煤层回采巷道的合理位　置，运用数值模拟方法研究下煤层回采巷道布置在　不同位置时的巷道受力情况，确定极近距离下煤层　回采巷道内错布置的合理错距。　１工作面地质条件　该煤矿极近距离煤层平均层间距为５．３２ｍ，上　煤层平均厚度为１．１２ｍ，直接顶为Ｋ２灰岩，底板为　泥岩、砂质泥岩，该煤层为稳定全区可采煤层；下煤　层平均厚度为４．２３ｍ，煤层顶板为泥岩、砂质泥岩，　底板为泥岩、砂质泥岩，该煤层为井田稳定可采　煤层。　２理论计算分析　内错式布置是指下部煤层回采巷道位于上部煤　层采空区内，但在距上部煤层采空侧边缘一定范围内　收稿日期：２Ｏ１５一Ｏ４—１Ｏ　基金项目：十二五国家科技支撑计划“大型煤炭基地难采资源高回　收率开采关键技术集成示范”资助（编号：２０１２ＢＡＢ１３Ｂ０４）　作者简介：元永国（１９７９一），朝鲜族，吉林四平人，讲师，硕士研究　生，毕业于辽宁工程技术大学，从事采矿、通风安全教学、科研研究　工作。Ｅ—ｍａｉｌ：５０２１　７６１０４＠ｑｑ．ｃｏｍ。　的应力仍高于原岩应力，对下煤层回采巷道的稳定有　一定的影响。一般认为下煤层回采巷道应布置在采　空区内的应力降低区。借鉴土力学中地基的计算方　法和采场矿压理论＿８］，建立极近距离煤层下回采巷道　内错式布置合理错距计算模型（图１）。　第１１期　元永国：极近距离煤层下煤层回采巷道内错布置合理错距的研究　１Ｏ５　图１　下煤层回采巷道内错距理论模型　图中工区为主动应力区，　ＣＡＢ与　ＣＢＡ表　达式及关系见式（１）。　ｆ　／＇ＣＡＢ一　ＣＢＡ＝４５。＋　（１）　厶　式中：　表示内摩擦角。　Ⅱ区为过渡区，ＣＤ是以Ｂ为原点的对数螺线，　其方程见式（２）。　ｒ—ｒ０・ｅ　“　（２）　式中：ｒ为以Ｂ为原点与ｒ。成　角处的螺线半径；　ＢＣ长度ｒ０；ｒ与ｒ０夹角ａ。　Ⅲ区为被动应力区，　ＤＢＥ与　ＤＥＢ表达式及　关系见式（３）。　』　ＤＢＥ一　ＤＥＢ一４５。一姜　厶　（３）　ＢＦ长度为底板过渡区的边界长度，由图可知　ＢＦ段底板应力下煤层回采巷道影响较大。鉴于此，　内错式布置巷道应避开ＢＦ段。　根据上述模型，极近距离煤层开采下煤层回采　巷道内错式布置合理错距见式（４）。　ＸＦｍｉ　一ＬＢＦ＋Ｍｃｏｔ８　（４）　同样根据已有极限平衡区宽度ｚ。，利用式　（１）～（３）。可以得出求解ＢＦ段长度的方程组，见　式（５）。解析解见式（６）。　Ｌ胙＝＝＝ｒ肋・ｃ。ｓ（４５。一要）　ｒＢＤ—ｒｎ。ｅａＣＢＤ。ｔ　呻　一　（５）　ｓｉｎ（４５。十要）　ｉｎ　。ｏ。一　丌　ａＣＢＤ一　一　一　菊　ｑ…‰　ｎ　ｍ．ｓｉｎ（４５。＋姜）　ｘ　一————————　．Ｐ￣．ｔａｎ　…　４ｆ．ｓｉｎ（４５。一　）　１ｌｎ　—Ｋ—————；　————Ｔ——一　ｙＨ　－ＦＣ￣ｃｏｔ￣４－———『＿Ｍｃｏｔ３ＩＶ／ｃｏｔＯ＂　（７）　，　￡Ｌ／　ｃｏｔｐ　取煤层内摩擦角　为３０。；内聚力Ｃ　为　２．３ＭＰａ，岩层移动角　为５０。；应力集中系数Ｋ为　２；煤岩层面间的摩擦系数厂为０．３；上覆岩层平均　体积力ｙ　２５ｋＮ／ｍ。；两煤层平均层间距为５．３２ｍ；煤　层平均埋深Ｈ取值为３００ｍ；９号煤层采高ｍ取　１．１２ｍ。将各参数代入减压区布置错距理论公式　（式（７））中得到以下结果。　０ｎ０　１．１２×ｓｉｎ（４５。＋　ｏｔＪ）　ＸＦ一——————————　×Ｐ号　。　…４×０．３×ｓｉｎ（４５。一　）　、，，２×２５×１０。×３００＋２．３×１０　×ｃｏｔ３０。　ｎ—　一　—————■—　八厶・０八１Ｖ　Ａ　ＧＵ　Ｌ　ｕ　＋５．３２×ｃｏｔ５０。≈６．３１ｉｎ　故该矿极近距离煤层开采下煤层回采巷道内　错式布置合理错距为大于６．３ｌｍ。　３数值模拟研究　３．１数值模型　数值模拟采用ＦＬＡＣ∞，采用莫尔一库伦准则以　某矿极近煤层具体开采条件为背景，建立数值模　型。上煤层平均埋深３００ｍ，下煤层距上煤层　５．３２ｍ，模拟煤岩层物理力学参数见表１。　模拟模型上煤层厚度、顶板厚度及底板厚度　分别为１．１２ｍ、４２．０９ｍ、３１．４９ｍ、之和为７４．７ｍ　在工作面推进方向始末端各留３０ｍ实体煤，工作　面推进长度为２００ｍ，则模型的长度为２６０ｍ；模拟　上煤层工作面长度为１５０ｍ，由于对称性取工作面　长度７５ｍ，在模型两端留３０ｍ煤柱，模型宽度为　２１０ｍ。约束模型四个侧面的水平位移，约束模型　底部水平位移和垂直位移。模型上部加载的均布　荷载，按岩层平均容重２．５ＭＰａ／１（）０ｍ及模拟埋深　３００ｍ计算。　３．２模拟过程　模型建好后，首先计算初始应力场至平衡，接　着开挖上煤层工作面，计算平衡后，调取数据分析　下煤层沿工作面长度方向顶板应力分布情况；再开　挖下煤层工作面回采巷道，尺寸为宽×高一４ｍ×　３．６ｍ，并支护，计算平衡后，分析上煤层采空区下方　下煤层回采巷道分别距上煤层煤体边缘水平距离　５ｍ、６ｍ、８ｍ、１２ｍ、１５ｍ时巷道的受力情况。　１０６　中国矿业　第２４卷　砂岩　砂质泥岩　石灰岩　上煤层层　砂质泥岩　下煤层　砂质泥岩　煤　３．３模拟结果分析　一错距５ｍ一错距６ｍ一错距８ｍ一错距１２ｍ—一错距１５ｍ　３．３．１　上煤层回采后下煤层顶板应力分布规律　图２给出了上煤层回采后下部煤层顶板应力在　工作面长度方向上的分布曲线。由图２可以看出：　上煤层回采后在煤体侧或煤柱正下方底板煤岩层　中形成了应力升高区，且随着远离上部煤层垂直应　２０　—１５　１Ｏ　一５　Ｏ　５　１Ｏ　１５　２Ｏ　力逐渐降低，直至恢复到原岩应力。而在采空侧距　上部煤体边缘２ｍ以外内形成了应力降低区，在距　采空侧距上部煤体边缘６～１５ｍ范围内垂直应力变　一距巷道中心线的距离，ｍ　（ａ）垂直应力　错距５ｍ一错距６ｍ一错距８ｍ一错距１　２ｍ一错距１５ｍ　水　／￣Ｌ．ＴＪ／ｌ．ｖｌｔ＇ａ　化不大，比较稳定；水平应力在采空侧先升高后降　低，在采空侧距上部煤体边缘１５ｍ以外水平应力变　ｌ０　化平缓逐渐恢复到原岩应力。　垂且　￣Ｊ／Ｍｔ＇ａ　、　０｛　　厂　一　距巷道中心线的距离／ｍ　（ｂ）水平应力　…一．．／　７　６　５　一／１０　一一一一３Ｏ　５０　　７０　图３距煤体边缘不同距离时巷道　两帮腰线处受力分布曲线　７０　—５０　—３０　—１Ｏ　距采空侧煤壁的距离，ｍ　（ａ）垂直应力　Ｉｌ　受力不平衡，可能导致巷道支护困难，而巷道布置　在６ｍ及６ｍ以外的地方，巷道受力基本相同，与距　煤体边缘的距离远近关系不大。　４　结　论　１Ｏ　９　６　．　．　．　．　．　１）借鉴土力学中地基的计算方法和采场矿压　理论，建立极近距离煤层下回采巷道内错式布置合　一ｌ０　１０　３０　５０　７０　一７０　—５Ｏ　一３０　距采空侧煤壁的距离／ｍ　（ｂ）水平应力　图２上煤层回采后下煤层顶板沿应力分布曲线　理错距计算模型，计算得该矿极近距离煤层开采下　煤层回采巷道内错式布置合理错距为大于６．３１ｍ。　２）数值计算结果分析可知，该矿极近距离煤层　上煤层回采后，下煤层巷道在距煤体边缘５ｍ处巷　３．３．２下煤层回采巷道距煤体边缘不同距离时巷　分析道受力　图３给出了距煤体边缘不同距离时巷道两帮腰　线处距巷道中心线２０ｍ范围内的受力分布曲线，由　图３可知：巷道在距煤体边缘５ｍ处巷道两帮腰线　处的垂直应力峰值不同，水平应力分布一样，巷道　道两帮腰线处的垂直应力峰值不同，水平应力分布　一样，巷道受力不平衡，可能导致巷道支护困难，而　同，与距煤体边缘的距离远近关系不大，下煤层回　巷道布置在６ｍ及６ｍ以外的地方，巷道受力基本相　采巷道内错式布置合理错距为大于等于６ｍ。　Ｉ　（下转第ｌ３８页）