斜溝礦采空區(qū)下近距離巷道礦壓特征研究

李珍珍

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司， 山西 呂梁 033600）

近距離煤層在我國分布較為廣泛，其儲量及可采量極為豐富，但在近距離煤層開采時，先開采煤層會對后開采煤層造成不利影響，所以在進(jìn)行近距離下煤層開采時極易出現(xiàn)頂板破壞、底板支護(hù)難等問題。為了解決近距離煤層開采過程中的難題，此前薛林輝[1]為保證近距離煤層采空區(qū)下煤層巷道的穩(wěn)定性，提出當(dāng)煤層間距大于5 m 時采用錨桿、金屬網(wǎng)、梯子梁以及錨索相結(jié)合的支護(hù)方式，而層間距小于5 m 時，通過降低錨索長度且加大上覆采空區(qū)煤柱側(cè)巷幫錨桿數(shù)量實(shí)現(xiàn)巷道支護(hù)，并通過現(xiàn)場實(shí)踐驗(yàn)證了支護(hù)方案的可行性與優(yōu)越性。本文以斜溝礦為研究背景，通過理論分析及數(shù)值模擬軟件對近距離下煤層巷道圍巖的變形進(jìn)行分析，為下煤層巷道支護(hù)提供一定的參考。

1 礦井概況及理論分析

斜溝礦位于山西省呂梁興縣北50 km 處，礦區(qū)南北長約22 km，東西寬約3～4 km，礦井面積約88.6 km2，礦井設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力1 500 Mt。現(xiàn)主采煤層為8 號和9 號煤層，兩種煤層的厚度均值分別為3.1 m 和2.7 m，8 號、9 號煤層的煤層傾角平均值均為3°，29204 工作面的標(biāo)高為+860 m，工作面的埋深為270 m，煤層結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，屬于穩(wěn)定煤層，煤層的平均間距為4.3 m，屬于近距離煤層。29204 工作面主采煤層為9號煤，巷道的布置沿著28204 采空區(qū)的底板進(jìn)行布設(shè)，由于上煤層工作面回采的影響，使得29204 工作面頂板破碎嚴(yán)重，巷道煤層的開采面臨較大的安全問題，因此必須對下煤層巷道變形情況進(jìn)行分析，以便于巷道支護(hù)方案的設(shè)計(jì)，從而提升巷道的掘進(jìn)效率，保證巷道的安全。

為分析下煤層巷道頂板破壞情況，首先需要對上煤層底板的破壞情況進(jìn)行分析，上煤層底板的損傷破壞深度可以根據(jù)如下公式得出：

式中：β 為巖石的節(jié)理發(fā)育系數(shù)，取0.4；Rc為巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；L 為工作面長度，m；H 為采場的埋深，m；λ 為覆巖的容重，kN/m3。

根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況，將各參數(shù)值進(jìn)行代入，經(jīng)過計(jì)算可得上煤層底板的破壞深度為3.49 m，斜溝礦8號和9 號煤層平均間距為4.3 m，可以看出煤層間的底板被大面積破壞，但未完全破壞，存在部分完整的巖層[2]。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

對近距離煤層采空區(qū)下煤層巷道圍巖的變形特征進(jìn)行分析，根據(jù)斜溝礦地質(zhì)條件，首先進(jìn)行數(shù)值模型的建立，本文采用FLAC3D軟件進(jìn)行計(jì)算，在進(jìn)行模型建立時考慮到煤層的傾角均較小，所以本次模擬將該煤層簡化為近水平煤層，同時為了避免出現(xiàn)邊界效應(yīng)，所以在工作面外側(cè)增加30 m 的邊界長度，建立模型的長×寬×高為110 m×5 m×45 m。在確保模擬精度的基礎(chǔ)上，模型的網(wǎng)格劃分應(yīng)盡量粗劃分，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)省模擬時間的作用，完成模型劃分后，對模型的邊界條件進(jìn)行設(shè)定，固定模型左右及下端位移，設(shè)定為固定約束，在模型的上端施加覆巖自重6 MPa 的均布載荷。完成外部荷載及約束設(shè)定后，對巖層的力學(xué)屬性進(jìn)行設(shè)定[3]。具體巖層物理參數(shù)如表1 所示。

表1 煤層及巖層力學(xué)參數(shù)參照表

2.2 模擬計(jì)算

完成模型的參數(shù)設(shè)定后，選定摩爾- 庫倫模型為本構(gòu)模型，完成模型建立后對模型進(jìn)行計(jì)算，模擬的開挖過程為：地應(yīng)力平衡—上煤層開采—平衡—下煤層巷道開挖—平衡穩(wěn)定。為了研究巷道圍巖變形情況，在上煤層底板及下煤層頂板位置分別布置應(yīng)力監(jiān)測線，上煤層開采后圍巖垂直應(yīng)力分布云圖如1 所示。

從圖1 可以看出，隨著上煤層工作面的開采，此時上煤層頂板覆巖發(fā)生破壞，圍巖應(yīng)力重新分布，頂板的應(yīng)力逐步向著回采煤柱轉(zhuǎn)移，在煤柱側(cè)形成應(yīng)力集中，并形成支撐壓力，隨著采空區(qū)頂板的破壞，此時巷道逐步趨于穩(wěn)定，采空區(qū)內(nèi)部由于頂板垮落，充填穩(wěn)定性得到較大幅度提升，在距離采空區(qū)實(shí)體煤側(cè)一定距離后圍巖的應(yīng)力逐步恢復(fù)為原巖應(yīng)力。在實(shí)體煤柱側(cè)垂直應(yīng)力為6.7 MPa，而在深入煤體位置的應(yīng)力峰值為17.2 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.4。對9 號煤層巷道布設(shè)不同位置時的下煤層巷道圍巖變形進(jìn)行分析，下煤層巷道布設(shè)分別設(shè)定為內(nèi)錯距離10 m、20 m、30 m、40 m，巷道圍巖的應(yīng)力分布圖如2 所示。

圖1 上煤層開采圍巖垂直應(yīng)力（Pa）分布云圖

從圖2 可以看出，當(dāng)下煤層巷道與上煤層內(nèi)錯距離為10 m 時，此時下煤層巷道處于應(yīng)力降低區(qū)，此時巷道的應(yīng)力值明顯小于周圍巖層的應(yīng)力，隨著巷道的掘進(jìn)，巷道頂板底板及兩幫的應(yīng)力主要向著煤巖側(cè)轉(zhuǎn)移，但內(nèi)錯距離為10 m 時的巷道整體應(yīng)力環(huán)境較好，最大應(yīng)力值小于2 MPa。當(dāng)下煤層巷道與上煤層內(nèi)錯距離為20 m 時，此時巷道位置處于應(yīng)力降低區(qū)與原巖應(yīng)力區(qū)的接觸位置，應(yīng)力值呈現(xiàn)左幫大于右?guī)偷那闆r，左幫的應(yīng)力最大值為8.92 MPa，右?guī)偷膽?yīng)力最大值小于2 MPa。當(dāng)內(nèi)錯距離增大至30 m 時，此時下煤層巷道位于上煤層采空區(qū)矸石充填位置的下端，此時的巷道整體應(yīng)力大于原巖應(yīng)力，掘進(jìn)后煤體的應(yīng)力有了一定幅度的增加，增加的幅度最大為4.67 MPa，此時同樣呈現(xiàn)出右?guī)蛻?yīng)力小于左幫的特性。當(dāng)內(nèi)錯距離增大至40 m 時，此時巷道位置處于上煤層采空區(qū)矸石充填影響范圍，在掘進(jìn)前圍巖的應(yīng)力大于原巖應(yīng)力，掘進(jìn)后巷道煤體的應(yīng)力增幅最大為3.72 MPa。從以上分析可以看出，當(dāng)內(nèi)錯距離為10 m 時，巷道處于應(yīng)力降低區(qū)，整體的應(yīng)力環(huán)境最佳，在此位置布置下煤層巷道對于巷道整體維護(hù)十分有利。

圖2 不同內(nèi)錯距離下巷道圍巖應(yīng)力分布圖

對四種內(nèi)錯距離下的巷道圍巖變形進(jìn)行分析，下煤層巷道與上煤層巷道內(nèi)錯距離10 m、20 m、30 m、40 m 的下煤層巷道圍巖變形曲線如圖3 所示。

圖3 不同內(nèi)錯距離下巷道圍巖變形曲線

從圖3 可以看出，隨著距巷道表面距離的增加，巷道圍巖的整體變形呈現(xiàn)逐步減小的趨勢，這是由于距離巷道越遠(yuǎn)，掘進(jìn)擾動對圍巖變形的影響越小。當(dāng)下煤層巷道與上煤層巷道內(nèi)錯距離為10 m 和20 m時，巷道圍巖整體變形呈現(xiàn)為頂板下沉量最小，右?guī)妥冃瘟啃∮谧髱妥冃瘟浚欢?dāng)下煤層巷道與上煤層巷道內(nèi)錯距離為30 m 和40 m 時，頂板下沉量變形最大，右?guī)妥冃瘟啃∮谧髱妥冃瘟浚霈F(xiàn)此現(xiàn)象是由于上煤層開采對下煤層的擾動不同而造成的，擾動不同，下煤層巷道不同位置出現(xiàn)不同的變形。當(dāng)內(nèi)錯距離為30 m 和40 m 時，此時的巷道整體變形量明顯大于內(nèi)錯距離10 m 和20 m 時的變形量，內(nèi)錯距離為10 m時的巷道變形量最小，此時的頂板下沉量為100 mm，兩幫的移近量最大值為195 mm。綜上分析得出，受到8 號煤層開采的影響，在9 號煤層巷道圍巖不同位置出現(xiàn)不同的變形程度，內(nèi)錯距離越大，巷道圍巖的變形越大，且在內(nèi)錯距離為10 m時的巷道圍巖變形最小。

3 結(jié)論

1）通過理論分析，并結(jié)合斜溝礦實(shí)際地質(zhì)情況，計(jì)算上煤層底板的破壞深度，經(jīng)過計(jì)算得出上煤層底板的破壞深度為3.49 m，小于8 號與9 號煤層間距，所以底板未被完全破壞。

2）利用數(shù)值模擬軟件對不同內(nèi)錯距離下的圍巖受力情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)內(nèi)錯距離為10 m 時，巷道處于應(yīng)力降低區(qū)，整體的應(yīng)力環(huán)境最佳。

3）對不同內(nèi)錯距離下的圍巖變形情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)內(nèi)錯距離越大，巷道圍巖的變形越大，當(dāng)內(nèi)錯距離為10 m 時，巷道圍巖變形最小，此時的頂板下沉量為100 mm，兩幫的移近量最大值為195 mm。