近距離開采巷道礦壓及覆巖運動規律研究

劉晉琦

（山西臨汾西山能源有限責任公司，山西 太原 030053）

近距離煤層在我國分布較廣，由于下煤層開采受到上部煤層的制約，所以造成下煤層開采較為復雜，同時由于上部煤層開采擾動使得下煤層巷道圍巖變形較為嚴重，所以解決近距離煤層下煤層開采巷道變形成為了近距離煤層開采重要的課題。此前付國華[1]分析了近距離煤層開采覆巖運移特征，給出了一種全新的控制覆巖運移的方法，不僅能夠解決現有煤層開采順槽內錯、外錯布置的缺點，同時有效解決了下煤層開采巷道變形嚴重的問題。董興迎[2]通過研究近距離煤層群采空區下煤層開采礦壓規律通過理論分析對下煤層工作面初次來壓、周期來壓步距等進行分析，為近距離煤層采空區礦壓顯現規律研究做出一定參考。本文以光道礦為研究背景，對近距離煤層下煤層巷道穩定性進行研究，為近距離煤層開采提供借鑒。

1 礦井概況及模型建立

光道煤礦位于山西洪洞縣，礦井面積為15.7 km2，現開采煤層9號，10號，設計年產量120萬t。9101工作面主要開采太原組9號煤層，兩側工作面均已完成開采，當完成9101工作面開采后進入9102工作面，由于9102工作面收到上煤層回采的影響，巷道變形較大，為了降低巷道變形，需要對巷道圍巖的變形進行研究。在完成上部煤層開采后，下煤層巷道的圍巖應力重新分布，當上部煤層進行回采后，此時巷道的底板應力出現變化使得下煤層巷道頂板處于應力疊加區域，造成下煤層巷道頂板變形嚴重。為了研究下煤層巷道圍巖變形情況，選定FLAC3D數值模擬軟件對圍巖礦壓現象情況進行研究。

首先進行模型的建立，根據光道礦9101工作面實際地質條件，建立模型長寬高分別為240 m、200 m和68.4 m，對模型進行網格劃分，在進行網格劃分時，適當將下煤層巷道進行細化分，便于應力云圖的清晰呈現，劃分完成后共有174 900個單元，節點共有184 518個。對模型上端部施加覆巖自重，根據計算施加應力為9.2 MPa，對模型的四邊進行約束固定，限制四邊的垂直、水平方向位移。數值計算的物理模型如1所示。

圖1 數值計算的物理模型示意圖

為了保證模擬計算的精度及準確性，通過力學實驗對煤巖的力學屬性進行測定，后對模型進行物理參數的設定。物理參數設定如下頁表1所示。

表1 煤巖物理參數參照表

2 模擬分析

完成巖層各參數負值后對命進行力學計算，煤層與采空區交接應力分布云圖及底板應力分布如下頁圖2所示。

如圖2-1所示可以看出，煤與采空區交匯處采空區下部出現應力降低現象，在此區域應力值為2 MPa，明顯低于原巖應力，而在采空區與煤交匯處的煤下方應力出現集中現象，在煤與采空區交接位置約10 m的距離出現應力最大值為24 MPa，此時應力集中系數為2.4 MPa，由此可以看出在進行下煤層巷道布置時需要將其布設在采空區與煤巖交匯處采空區的下端，同時下煤層巷道的布設方向應當與上煤層巷道類似，這樣下煤層巷道的圍巖變形大的問題才能從根本解決問題。

圖2 模擬分析圖

根據圖2-2可以看出，上煤層巷道隨煤層走向可分為三個階段，分別為原巖應力區、應力降低區及應力升高區，在沿煤層傾向0~35 m的區段是屬于原巖應力區，沿煤層傾向35~79 m的區段是屬于應力降低區，在此區段內底板的應力值小于原巖應力，沿煤層傾向79~99 m的區段屬于應力升高區，在此區段內應力集中現象明顯，最大的應力集中系數為2.4，沿煤層傾向99~180 m的區段屬于原巖應力區，可以看出在進行下煤層巷道布置時，應當避開c區段，使得下煤層巷道布置于b區段。

在進行上部煤層回采時，對下煤層巷道的圍巖變形情況進行分析，在巷道沿軸線位置分別布置測站，測站每10 m一個，共設21個測站，同時在每個測站分別布設頂板、底板、兩幫位移監測器，同時每個斷面布置12個測點，測點布置分別為對角（測點1、測點3）、中線（測點2），分別監測巷道的頂底板及兩幫變形，由于測點較多，所以本文僅展示回采距離工作面40 m的圍巖變形曲線（如圖3所示）。

圖3 巷道圍巖變形曲線

根據研究可知，隨著工作面的不斷推進，下煤層巷道的變形量逐步變大，當回采至40 m時，此時下煤層巷道變形量最大，此時頂板的下沉量達到452 mm。底板的底鼓量增大至608 mm，兩幫的移近量最大值達到92 mm，同時從圖3中可以看出，巷道斷面的變形大致呈現出對稱的特點，巷道斷面軸線為巷道中線位置，在測點2位置時巷道變形量最大，而測點1與測點3的變形量幾乎類似，同時觀察巷道圍巖變形量隨巷道軸向方向距離的增加呈現先減小后平穩的趨勢。根據模擬分析發現當工作面回采距離為0~60 m的范圍時，下煤層巷道變形量最大，而當工作面回采大于60 m時，巷道變形量較小，巷道較為穩定，回采對下煤層巷道穩定性影響較小。對距離工作面不同距離下巷道圍巖變形進行分析，位移變形曲線（如下頁圖4所示）。

圖4可以看出，當在工作面前方60 m時，巷道頂板下沉量為80 mm，底板底鼓量為116 mm，左幫右幫移近量為41 mm，巷道底板的底鼓量大于巷道頂板的變形量，但兩者均較小，所以在工作面前方60 m的范圍時巷道不受回采工作面影響，當在工作面前30 m時，巷道頂板下沉量為150 mm，底板底鼓量為215 mm，左幫右幫移近量為45 mm，在此階段內的巷道變形大于工作面前方60 m的變形量，在工作面后方30 m時，巷道頂板下沉量為595 m，底板底鼓量為711 mm，左幫右幫移近量為63 mm，由于水平應力的剪切作用使得變形量快速增大，在工作面后方60 m時，巷道頂板下沉量為721 m，底板底鼓量為734 mm，左幫右幫移近量為67 mm，在此范圍內的變形量均為最大值。由此看出，隨著距離工作距離的增加，巷道頂板、底板、兩幫變形量均呈現逐步增大的趨勢。

圖4 巷道表面位移變形曲線

3 結論

1）通過對煤層與采空區交接應力分布及底板應力分布進行模擬分析，確定了下煤層巷道的合理布置范圍。

2）根據模擬分析發現當上煤層工作面回采距離為0~60 m的范圍時，下煤層巷道變形量最大，而當工作面回采大于60 m時，巷道變形量較小，巷道較為穩定。

3）通過模擬發現，隨著距離工作距離的增加，巷道頂板、底板、兩幫變形量均呈現逐步增大的趨勢。