采動影響下極近距離煤層圍巖穩(wěn)定性分析

賈波

【摘 要】 為了研究極近距離煤層開采時對巷道的頂板下沉和巷道的圍巖變形的影響，本文以某礦為研究背景，通過理論計算和數值模擬相結合的方式對上覆巖層的破壞形式作出了一定的研究，得到冒落帶和裂隙帶在某礦的高度，并研究了巷道開采對巷道圍巖的應力分布研究，為礦山的支護提供了一定的理論指導。

【關鍵詞】 極近距離;數值模擬;理論計算;圍巖變形

【中圖分類號】 TD325.3 【文獻標識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2020）03-0015-02 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

隨著我國使用煤炭的時間越來越長，賦存條件較為復雜的煤層也逐步得到了開采，在開采過程中眾多的問題也就紛紛冒了出來。極近距離的煤層開采問題已經越來越受到了人們的關注。本文以某礦為研究背景通過理論分析和數值模擬研究對礦山的極近距離煤層作出了一定的研究，為礦山極近距離煤層開采做出了一定的指導。

1工程概況

礦區(qū)二采區(qū)位于井田南部，呈東西布置。其中10#和11#煤層共7.4m，煤層性質穩(wěn)定，平均傾角為7°，巖層柱狀圖如圖1所示。

從巖層分布可以看出，合并層的煤層底板為泥巖，在整個生產過程中，應注意頂板淋水問題。從生產經驗來看，9#煤層已經采完，其巷道布置方式與10#和11#煤層呈現垂直狀態(tài)，為了保證安全生產，9#煤層留設有寬度不一致的區(qū)段煤柱。由于9#煤層開采頂板的垮落，使得10#和11#煤層頂板受力過大，變形嚴重，給支護帶來了困難，區(qū)段煤柱的存在導致10#和11#煤層頂板受力不均勻，造成開采困難。

2上覆巖層的破壞研究

礦山的上覆巖層一般由細砂巖、中砂巖和泥巖等組成，通常在開采過程中，采空區(qū)和采場會形成三帶，分別為冒落帶、彎曲下沉帶和裂隙帶。而相應的每個帶都有著自己的特性。冒落帶是由于煤礦的開采破壞了原有的地應力平衡，當采煤工作完成后，大面積的上覆巖層會喪失原有的支撐面，從而發(fā)生斷裂、冒落等情況并將采空區(qū)進行填充，填充后的巖體又會對上部的巖層產生一定的支護作用，避免了上覆巖層的進一步垮落，所以此類區(qū)域的裂隙發(fā)育完好，有較好的通透性。裂隙帶是存在于冒落帶的上方，由于冒落帶斷裂冒落后，在巷道的上部又重新形成了新的上覆巖層，冒落帶的垮落形成的裂隙帶的巖層又會承受上部巖層的載荷，出現大量的裂隙，出現一定的連通性但巖層不會垮落。彎曲下沉帶處于裂隙帶的上部，由于力學環(huán)境發(fā)生了改變巖層發(fā)生大面積的彎曲和下沉，但內部巖層無明顯裂隙產生，且在巖層的內部可能會出現離層等情況。不同的地質條件會發(fā)生不同的破壞情況，所以破壞機理的研究也就成為了重中之重。一般來說上覆巖層的破壞受到采高、上覆巖層的巖性、采煤的速度和巖層的原生裂隙的多少等影響。采區(qū)和采空區(qū)形成的三帶如圖1所示。

為了更好地確定上覆巖層的垮落帶與裂隙帶的高度，采用理論計算公式對冒落帶和裂隙帶進行一定的分析。

冒落帶的高度理論計算公式如下：

Ha=

公式中：Ha為上覆巖層冒落帶厚度;M為煤層的開采高度;W為采場頂板的下降量;K為冒落帶垮落的巖石膨脹系數;α為煤層的傾角。

將本礦的數據帶入到公式中可得，煤礦開采時的理論冒落帶高度為8.4m。而裂隙帶的理論計算公式與之前的計算公式有所不同，不同的巖層屬性會對裂隙帶的理論值計算產生一定的影響，根據礦山的監(jiān)測數據可以得到礦山的巖層為中等硬度的巖層，所以可以按照如下公式進行計算：

Hb=±5.6

Hd=20+10

根據公式計算可知上覆巖層的裂隙帶的高度為40m左右。在確定了上覆巖層的冒落帶和裂隙帶的高度后，利用數值模擬軟件對開采過程中的頂板位移和變形量進行進一步的分析和研究，更好地掌握頂板隨著開采擾動的應力分布情況。

利用FLAC3D數值模擬軟件進行數值模擬，模擬中10#和11#煤層的平均厚度為7.4m，煤層埋深按400m計算，整個模型的尺寸為320m×210m×100m，設置模型四個側面為水平位移邊界，根據巷道原形建立總體模型，再在總體模型的基礎上建立子模型，子模型的邊界條件由總體模型的輸出自動施加。模型中煤、巖層采用八節(jié)點等參數單元劃分網格，模型共劃分402135個單元，421025個節(jié)點，模型模擬圖如圖2所示。

從圖2可以看出，最上面的巖層分布層的應力最大，約為7MPa左右，應力云圖呈現出對稱分布的狀態(tài)，以上覆巖層的中點的垂線為對稱軸，隨著距離中點的距離逐步增大，巖層受到的載荷應力先呈現出不變的趨勢后逐步減小，冒落帶和裂隙帶的寬度分別為10m和42m，圖中紅色的部分為數值模擬模型設置的冒落帶，藍色的部分設置為上覆巖層的裂隙帶，其余顏色為冒落帶與裂隙帶的接觸位置，最終的設置為冒落帶高度10.2m，上覆巖層的裂隙帶的高度為42.9m。支護時應當充分將倆種模式的破壞計算進去，最終達到較好的支護效果。

3下煤層開采對巷道圍巖影響研究

在進行下煤層的穩(wěn)定性分析時，發(fā)現隨著開采工作的不斷推進，采空區(qū)的面積也就越來越大，采空區(qū)的體積越大，周圍巖石的力學特性也會發(fā)生一定的改變，隨著圍巖和頂板的力學特性的改變使得巖層處于反復的應力加載與應力卸載過程中，更加加快了巖層的斷裂和垮落。下煤層開采后圍巖的模擬云圖如圖3所示。

根據圖3可以看出，水平方向的應力圖的應力最大值出現在中部附近，最大值的壓應力為11MPa左右，最大的拉應力為6.8MPa左右，最大的應力值分布呈現出對稱性，以巷道的中心垂向為對稱軸，圍巖的大部分區(qū)域應力值集中在2～3MPa左右，且均為壓應力，再從圍巖受到的來自Z方向的載荷可以看出，圍巖的最大拉應力為6.6MPa左右，最大的壓應力為19MPa，最大壓應力出現的范圍同樣在巷道的兩端部位，云圖呈現出對稱分布，以巷道的中心為對稱軸，巷道的上端部和下端部分別呈現出拉應力，其余部位均為壓應力，且拉應力大致的分布范圍均在10MPa附近，可以看出圍巖的垂向應力明顯高于圍巖的水平應力，所以圍巖的變形和破壞大多源自圍巖的豎直方向的應力載荷，在進行支護工作時應當充分考慮到圍巖的豎直方向應力的解決可以有效地減少圍巖的大變形問題。

4結論

本文根據理論公式計算得出了某礦在極近距離開采下上覆巖層的裂隙帶高度為40m左右，影響到下覆煤層的安全開采。

根據數值模擬的計算得到了數值模擬下的冒落帶高度為10.2m，上覆巖層裂隙帶為43m左右，由于和理論計算的高度差值不大，所以選取數值模擬計算結果作為支護的參數。

根據數值模擬對巷道的圍壓應力分布做出了一定的研究，并得到了水平方向的最大壓應力為11MPa，豎直方向的最大壓應力為19MPa。

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