極近距離煤層采空區下巷道布置數值模擬

王 強

(大同煤礦集團有限責任公司技術中心,山西大同 037000)

極近距離煤層在我國分布廣泛,我國各大礦區占有很大比例[1]。由于當煤層距離較近時,通常采用下行開采方法[2],這就必然導致下層煤受到上層采煤工作面開采應力與上層煤區段煤柱應力集中的影響[3]。目前國內對極近距離煤層的開采進行了經驗性、實踐性研究[4,5,6],姚少武[7]通過運用數值模擬試驗,對下煤層工作面回采巷道穩定性造成影響的應力分布進行了研究；于洋等[8]研究了極近距離上位煤層采空區下底板巖層的應力分布規律及下位煤層巷道變形破壞特征,合理解釋了上層煤柱對下煤層巷道的應力還應考慮水平應力對其的影響及近距離煤層煤柱下回采巷道布置方式進行研究。本文分析了煤柱底板應力分布及對下覆煤層巷道的影響,運用FLAC3D模擬上層煤回采后應力情況及回采巷道不同布置方式的塑性區破壞,通過塑性區直觀了解圍巖破壞情況。

1 工程概況

大同礦區某礦石炭系3#煤層的厚度約為4 m,5#煤層的厚度約為11 m。3#煤層與5#煤層的間距為3 m～6 m,二者為極近距離煤層,上覆3#煤層301 盤區早已開采完畢(2002年～2004年),留有煤柱。

2 3#層煤柱集中應力影響范圍及影響程度數值計算

2.1 模擬內容

根據實際工程中的煤層開采過程,數值模擬的計算過程如下：

(1)根據實際煤層開采順序：回采3#煤層→形成上覆煤柱→計算至平衡→研究煤柱下方巖體應力分布規律,為確定5#煤層巷道合理布置位置提供依據；

(2)按內錯0 m(重疊布置)、內錯10 m、內錯15 m和外錯10 m 四種布置方式,開挖5#煤層5107 巷道,計算至平衡,研究不同布置方式下巷道的破壞情況,確定5#煤層巷道合理的布置位置。

2.2 模型的建立

以3#層煤柱中線為Z軸,5#煤層底面為X軸,工作面走向為Y 軸,建立某礦近距離煤層巷道合理布置研究模型。本構模型采用摩爾-庫倫模型,考慮到邊界效應及計算的速度,模型正負X方向各取100 m,正負Z方向各取70 m,Y方向取10 m。

圖1 模型橫斷面圖

表1 3#、5#煤巷道圍巖巖石物理力學參數

2.3 3#層煤柱底板中應力分布規律研究

3#煤層開采完成后,其下部巖體中,垂直應力和水平應力分布如圖2和圖3所示。

由圖2和圖3可知：

(1)3#煤層開采后,采空區下方5#煤層應力得到了很大程度的釋放,垂直應力降到了4 MPa以下,絕大部分范圍內,水平應力也降到了5 MPa以下。

(2) 3#煤層開采形成的煤柱承受了整個采面的原有荷載,在煤柱內部形成的較大的集中應力,以垂直應力為例,最大值達到35 MPa,對稱出現在距煤柱表面7.5 m 左右處,按照自重計算,垂直原巖應力為11.25 MPa,那么煤柱應力集中系數約為3.1。

相對于水平應力,煤柱下方集中垂直應力擴散和衰減幅度較大。對應上覆煤層回采巷道下方16 m 深度位置,垂直應力為16.2 MPa,水平應力為18.5 MPa,二者相對原巖的應力集中系數分別是1.44和1.64。

圖2 垂直應力分布等值線圖

圖3 水平應力分布等值線圖

在5#煤層中,3#煤層煤柱內部應力在下部巖層沿深度和寬度方向逐漸擴展、衰減,利用fish 函數,提取應力的具體數值,得到5#煤層5107巷頂板上部0.67 m、3.47 m 和6.27 m 處,垂直應力與煤柱中心線之間的變化曲線,如圖4所示。

圖4 垂直應力與煤柱中心線距離的關系

在圖中可以看出,垂直方向上,5#煤層內,5107 巷道頂板應力分布受豎向位置影響較小,均呈現先增加后降低的類拋物線形；在水平方向上,x=±16.0 m(即3#煤層煤柱邊緣正下方)時,應力為13.83 MPa 左右,約為原巖應力的1.3 倍；x=±20.0 m 時,垂直應力約為4.8 MPa,約為原巖應力的0.5倍；隨著位置遠離煤柱,上述垂直應力進一步降低。也就是說,在5#層5107巷道布置時,距離3#煤層煤柱越遠,圍巖應力越小,對后期的巷道穩定性控制越有利,但與此同時,錯距越大,5#層開采形成的煤柱的寬度越大,對厚度達到11.2 m 厚的煤層,煤柱寬度每增加1 m,造成了煤炭資源浪費量也是巨大的。

3 不同錯距下5107巷破壞形態分析

根據前面的分析可知,5#層5107 巷道的布置位置最好遠離3#煤層煤柱,但從資源利用的角度看,5#層煤柱越窄越好,也就是5107巷的布置要盡可能在水平距離上靠近3#層煤柱。按內錯15 m、10 m、0 m(重疊布置)和外錯10 m四種工況,開挖5#層5107巷,以巷道的破壞范圍為主要指標,對四種布置方案進行分析評價。

圖5 5107巷不同布置位置圍巖破壞情況

由圖5可知：

(1)5#層5107巷距3#層煤柱距離較遠時,巷道破壞能保持較好的穩定性,如圖5(a)和圖5(b)所示,內錯距離為15 m 時,巷道開挖穩定后,方案一能很好的控制較小圍巖應力環境中的圍巖破壞問題,巷道沒發生塑性破壞；內錯距離為10 m時,由于應力的增加,巷道煤柱側頂板和幫出現了部分剪切破壞,但破壞厚度均在1.25 m以下,圍巖穩定性較好。

(2)重疊布置時,由于巷道所在區域應力變化幅度大,且量值較高,巷道破壞較為嚴重,在方位上,破壞面積主要分布在靠近3#層煤柱的頂板和頂角,最大破壞厚度接近7.0 m。

(3)外錯10 m 布置時,在25 MPa 以上的巨大垂直應力作用下,巷道破壞嚴重,沿巷道對角線方向逐漸向上發展,破壞范圍貫通,同時,左幫、底板等煤巖體,也均有不同程度的破壞,頂板最大下沉量達到1.7 m,破壞嚴重。

綜上所述,5#層5107 巷與3#層煤柱內錯距離不小于10 m時,圍巖穩定性較易得到控制；重疊布置時,巷道破壞范圍較大,通過對支護方案進行優化設計,控制該種工況下的巷道穩定性難度不大；外錯布置時,5107巷均在3#煤層煤柱形成的高應力區,層間破壞范圍相互貫通,支護十分困難。

4 結論

(1)3#層8107與8105工作面之間煤柱仍然處于彈性壓縮力學狀態,對上覆壓力仍具有良好的傳導放大功能,放大系數為3.1。煤柱下方仍然存在應力集中區,其沿深度和寬度方向逐漸擴展、衰減。

(2)3#煤層煤柱底板塑形破壞深度為3.54 m～5.08 m,5#層5107巷頂板上部約有42%(約5 m)處于上分層煤柱影響范圍內,錨索錨固段應布置在煤層中,注意避開煤巖體交界面和已經破壞的炭質泥巖區。

(3)5#層5107 巷與3#層煤柱內錯布置時,圍巖穩定性較易得到控制；重疊布置時,巷道破壞范圍較前者大,通過對支護方案進行優化設計；外錯布置時,5107巷均在3#層煤柱高應力區影響范圍內。

綜上所述,在保證安全的前提下,可以通過對重疊布置這種形式下巷道的優化支護設計,達到以盡量小的支護成本換取盡量多的資源價值的目的。