王清亮
(山西汾西矿业(集团)有限责任公司,山西 介休 032000)
为了确定近距离煤层下层煤开采巷道合理布置位置，在确定巷道采用内错式布置形式情况下结合FLAC3D数值软件，建立了重叠、内错6 m、8 m、10 m巷道布置模型，通过围岩变形量等参数分析，确定内错8 m较为适宜；建立了宽度沿空3 m、4 m、5 m、6 m煤柱计算模型。分析可知，沿空掘巷煤柱宽度为4 m。
近距离煤层；沿空巷道；内错距；煤柱宽度
1 工程概况
矿井3下412工作面运顺顺槽为沿空巷道，与3下408工作面相邻。3下408工作面位于东股闸下引河南，小卜湾村南1 065 m～1 798 m范围内，工作面上方为昭阳湖区。井下位置位于东四采区东南部。
3下煤层为井田主要可采煤层，下距太原组12下煤平均96.5 m，下距三灰平均45 m，与3上煤层相距10.2 m。顶板岩性以中细粒砂岩、砂质泥岩为主，底板岩性主要为粉砂岩、细砂岩等。煤层厚度0 m～6.25 m，平均3.8 m。除井田北部边缘第5勘探线有一狭长条带，因受河床相砂岩同期冲刷形成无煤带之外，其余大面积稳定可采，厚度变化幅度较小，一般在4 m左右，属稳定至较稳定煤层，煤层结构较复杂，夹矸一般只有一层，且位于煤层下部，厚度多小于0.6 m，最大厚度1.74 m。岩性以黏土岩、粉砂岩为主。3下煤层顶底板岩性特征见表1。
2 最小内错距离的选择
2.1 数值模型的建立
由于3上煤层遗留煤柱宽度较小，故不适合采用外错式布置，只建立重叠式及内错式巷道布置模型。
表1 煤层顶底板情况表
1) 重叠式布置。3下412工作面运输巷道布置在3上412工作面运输巷道正下方。
2) 内错式布置。3下煤层412工作面运输巷布置在3上412运输巷道与3上408工作面回风巷道之间煤柱一侧，分别模拟内错距离为6 m、8 m、10 m几种情况。
2.2 数值模拟结果及分析
1) 塑性破坏特征分析
巷道围岩的塑性破坏如第109页图1所示。
由图1可以看出，随着巷道与煤柱水平距离的不断增大，巷道围岩塑性破坏区逐渐减小，塑性破坏区主要集中在巷道顶板及靠近煤柱侧巷帮。当内错距离小于6 m时，上下煤层塑性区贯通。当内错距离大于8 m时，塑性区面积基本上保持不变。
图1 不同布置方式下巷道塑性破坏区分布
2) 巷道变形量分析
巷道掘进期间，不同布置方式下巷道变形量统计如表2所示。
表2 巷道掘进期间不同布置方式巷道变形量
如表2所示，当3下412工作面运输巷采用重叠布置时，巷道掘进期间顶板下沉量为60.0 mm，底鼓量为27.0 mm，靠近上煤层煤柱侧巷帮变形量为66.7 mm，远离上煤层煤柱侧巷帮变形量为28.1 mm。
当3下412工作面运输巷采用内错布置，内错距离为6 m时，巷道掘进期间顶板下沉量为47.6 mm，底鼓量为23.1 mm，靠近上煤层煤柱侧巷帮变形量为56.2 mm，远离上煤层煤柱侧巷帮变形量为24.9 mm。
当3下412工作面运输巷采用内错布置，内错距离为8 m时，巷道掘进期间顶板下沉量为44.8 mm，底鼓量为22.1 mm，靠近上煤层煤柱侧巷帮变形量为52.5 mm，远离上煤层煤柱侧巷帮变形量为22.6 mm。
当3下412工作面运输巷采用内错布置，内错距离为10 m时，巷道掘进期间顶板下沉量为43.0 mm，底鼓量为21.2 mm，靠近上煤层煤柱侧巷帮变形量为49.7 mm，远离上煤层煤柱侧巷帮变形量为21.1 mm。
巷道两帮围岩变形量较大且不对称，靠近上煤层煤柱侧巷帮变形量大于远离上煤层煤柱侧巷帮变形量。随着下煤层回采巷道与上煤层遗留煤柱水平距离的不断增大，巷道位移量逐渐减小，当内错距离大于8 m时，巷道表面位移变化趋势趋于平缓，巷道变形量受煤柱宽度的影响减小。
2.3 巷道布置方式的确定
由于3上煤层遗留煤柱宽度较小，不适合采用外错式布置，当采用重叠式布置时，巷道围岩应力集中程度较大，巷道变形很大，不利于巷道的支护，故采用内错式巷道布置，内错距离至少为8 m。
3 下层煤沿空留巷煤柱宽度的选择
拟采用平移式布置3下工作面回采巷道，将3上煤层煤柱集中压力增高区布置在下煤层工作面内，因3下煤层埋藏较浅，工作面支架完全可以满足支护要求。综合考虑3下工作面尺寸及最小内错距离要求，3下408工作面回风巷布置在距离煤柱47 m处，3下412工作面运输巷采用小煤柱沿空掘巷[1-2]，如图2所示。
图2 平面布置示意图
3.1 数值模型的建立
本次模拟的模型上煤层遗留煤柱宽度为6 m，且3下408工作面距上煤层遗留煤柱边缘水平距离为47 m。根据沿空煤柱宽度的不同，建立了3 m、4 m、5 m、6 m煤柱宽度4个计算模型。模拟不同沿空煤柱宽度下，3下408工作面与3下412工作面运输顺槽相向采掘过程中，巷道的围岩应力分布及巷道变形情况。
3.2 数值模拟结果及分析
3.2.1 围岩应力分布规律
1) 第110页图3为工作面采过30 m后巷道围岩垂直应力分布，图3可看出，由于采空区的影响，沿空巷道两侧出现了应力集中现象，而且巷道顶底板出现了圆弧状卸压区域[3]。
当煤柱宽度为3 m时，实体煤侧应力集中程度高于沿空侧，实体煤侧最大垂直应力为22.2 MPa，沿空煤柱侧最大垂直应力为7.5 MPa。
当煤柱宽度为4 m时，实体煤侧应力集中程度高于沿空侧，实体煤侧最大垂直应力为13.5 MPa，沿空煤柱侧最大垂直应力为12.0 MPa。
当煤柱宽度为5 m时，沿空侧应力集中程度高于实体煤侧，实体煤侧最大垂直应力为14.0 MPa，沿空煤柱侧最大垂直应力为15.5 MPa。
当煤柱宽度为6 m时，实体煤侧应力集中程度高于沿空侧，实体煤侧最大垂直应力为17.5 MPa，沿空煤柱侧最大垂直应力为23.1 MPa。
随着煤柱宽度的增加，实体煤侧应力集中程度逐渐减小，而沿空煤柱侧应力集中程度逐渐增大，当煤柱宽度为4 m时，煤柱所承受的支撑压力最小。
2) 图4为工作面采过30 m后巷道围岩水平应力分布，由图4可看出，当煤柱宽度为3 m时，沿煤柱宽度方向煤柱所受最大水平应力为2.5 MPa；当煤柱宽度为4 m时，沿煤柱宽度方向煤柱所受最大水平应力为2.0 MPa；当煤柱宽度为5 m时，沿煤柱宽度方向煤柱所受最大水平应力为4.0 MPa；当煤柱宽度为6 m时，沿煤柱宽度方向煤柱所受最大水平应力为5.5 MPa。煤柱所受水平应力均为负值，说明煤柱承受的水平应力为压应力，没有产生拉裂破坏，可作为载体承受较大的载荷。
3) 由图5可知，巷道对角形成剪应力集中带，在另一对角形成卸压带，围岩剪应力等值曲线大致以巷道为中心点呈中心对称，而且煤柱宽度越大，这种对称现象越明显。煤柱侧底部形成支承压力的集中区域，随着煤柱宽度的增大，高剪应力影响范围随着煤柱宽度的增加逐渐增大。
图3 垂直应力分布
图4 水平应力分布
图5 剪应力分布
4) 由图第111页6可知，不同沿空煤柱宽度情况，巷道围岩出现不同程度的围岩塑性破坏，沿空煤柱均完全处于塑性状态，且为剪应力破坏。随着沿空煤柱宽度的增加，塑性破坏面积呈减小趋势，当煤柱宽度大于4 m时，塑性破坏情况得到明显改善。
3.2.2 巷道变形规律
3下408工作面与3下412工作面运输顺槽相向采掘过程中，巷道变形量随采掘过程变化趋势如图7～图9所示[4-5]。
当工作面采过监测截面30 m，沿空煤柱为3 m时，巷道顶板下沉量为0.2 m，沿空侧巷帮变形量为0.30 m，实体侧巷帮变形量为0.04 m；沿空煤柱为4 m时，巷道顶板下沉量为0.18 m，沿空侧巷帮变形量为0.22 m，实体侧巷帮变形量为0.03 m；沿空煤柱为5 m时，巷道顶板下沉量为0.16 m，沿空侧当工作面未采过监测面时，巷道变形量较小，巷帮变形量为0.24 m，实体侧巷帮变形量为0.02 m；沿空煤柱为6 m时，巷道顶板下沉量为0.12 m，沿空侧巷帮变形量为0.21 m，实体侧巷帮变形量为0.01 m。
图6 不同沿空煤柱宽度下巷道塑性破坏区分布
图7 巷道顶板下沉量变化曲线
图8 沿空侧巷帮变形量变化曲线
图9 实体侧巷帮变形量变化曲线
当工作面采过监测面，巷道变形量与工作面的距离呈线性增长，且煤柱宽度越小，增长速度越快。在距工作面相同距离的条件下，巷道变形量随着沿空煤柱宽度的增大而减小。
由图9与图10对比可知，两帮位移分布规律不同，沿空侧巷帮变形量远大于实体侧巷帮变形量，是巷道表面位移的主要组成部分。
当煤柱宽度大于4 m时，巷道变形量随煤柱宽度变化的趋势减小，从节约资源提高煤炭回采率的角度考虑，沿空煤柱宽度取4 m。
3.3 沿空煤柱宽度的确定
综合以上分析，3下煤层采用内错式沿空掘巷方式布置回采巷道，回采巷道与3上煤层遗留煤柱最小内错距离为8 m，与相邻工作面回采巷道留设4 m保护煤柱。
4 结论
本章利用FLAC3D数值模拟软件对不同内错距离及不同沿空煤柱宽度下巷道围岩应力变形情况进行数值模拟计算，得到不同条件下应力、塑性区及位移分布规律。
1) 建立了重叠式、内错式(内错4 m、6 m、8 m、10 m、12 m)巷道布置模型，利用FLAC3D数值模拟软件对不同布置方式的模型进行数值模拟计算，得出在下煤层回采巷道掘进期间不同布置方式下的应力、塑性区及位移分布规律，分析得出3下煤层巷道需采用内错式布置方法，且最小内错距离为8 m。
2) 建立了不同宽度沿空煤柱计算模型(3 m、4 m、
5 m、6 m)，利用FLAC3D数值模拟软对不同的模型进行数值模拟计算，得出在3下408工作面和3下412工作面运输顺槽采掘期间不同布置方式下的应力、塑性区及位移分布规律，分析得出3下煤层回采巷道沿空掘巷煤柱宽度为4 m。
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