采空區(qū)煤柱下回采巷道合理布置位置模擬分析

劉浩宇

(山西煤炭運(yùn)銷(xiāo)集團(tuán) 四明山煤業(yè)有限公司，山西 高平 048400)

寺河礦二號(hào)井15#煤層位于太原組上部，煤層埋深為329～419 m，平均厚度為2.3 m，傾角為5°，產(chǎn)狀近水平，煤層中一般含有1～2層不穩(wěn)定夾矸，構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，屬于穩(wěn)定可采煤層。15#煤三盤(pán)區(qū)是新開(kāi)拓的盤(pán)區(qū)，盤(pán)區(qū)地應(yīng)力情況不清晰，且上部3#煤為小煤窯采空區(qū)，9#煤為九七盤(pán)區(qū)97301、97302采空區(qū)，3#煤和9#煤之間的層間距約為60 m，9#煤和15#煤之間的層間距約為28～30 m.

15#煤層節(jié)理裂隙較發(fā)育、煤體強(qiáng)度相對(duì)較軟，同時(shí)考慮到15#煤層受上部3#、9#煤層開(kāi)采引起的動(dòng)壓和煤柱集中應(yīng)力等因素影響，有必要對(duì)15#煤層三盤(pán)區(qū)153301工作面回采巷道的合理布置進(jìn)行研究，保證礦井安全高效生產(chǎn)。

1 地質(zhì)力學(xué)測(cè)試

1.1 地應(yīng)力測(cè)量

采用SYY-56型小孔徑水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量?jī)x對(duì)寺河礦二號(hào)井15#煤層三盤(pán)區(qū)5個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試，對(duì)壓裂過(guò)程中的壓力和時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，得到每個(gè)測(cè)點(diǎn)的水力壓裂曲線，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，見(jiàn)表1.

以上5個(gè)測(cè)點(diǎn)中，最大水平主應(yīng)力大于垂直主應(yīng)力的測(cè)點(diǎn)有4個(gè)，其中最大水平主應(yīng)力最大值為12.45 MPa，最小值為7.60 MPa，絕大多數(shù)主應(yīng)力量值小于10 MPa，由此判定三盤(pán)區(qū)地應(yīng)力總體上以水平應(yīng)力為主，屬于構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)類型，地應(yīng)力場(chǎng)在量值上屬于低應(yīng)力區(qū)。整體來(lái)看，三盤(pán)區(qū)測(cè)試區(qū)域最大水平主應(yīng)力量值由東南至西北方向呈減小趨勢(shì)。

1.2 圍巖強(qiáng)度測(cè)試

采用WQCZ-56型圍巖強(qiáng)度測(cè)試裝置對(duì)巷道頂板以上及巷幫10 m范圍內(nèi)的巖體進(jìn)行了原位強(qiáng)度測(cè)試，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析和換算，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1，2.

圖1 頂板煤巖體強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果圖

圖2 巷幫煤體強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果圖

15#煤層頂板以上10 m范圍內(nèi)巖層以石灰?guī)r和細(xì)砂巖為主，巖層致密堅(jiān)硬，完整性普遍較好，石灰?guī)r平均強(qiáng)度為109.61 MPa，細(xì)砂巖平均強(qiáng)度為50.72 MPa；15#煤體完整性普遍較差，煤體強(qiáng)度測(cè)試探針觸點(diǎn)強(qiáng)度值波動(dòng)范圍較大，受開(kāi)挖影響，淺部煤體均產(chǎn)生塑性破壞，導(dǎo)致煤幫淺部強(qiáng)度值普遍小于深部，煤體強(qiáng)度平均值為12.33 MPa.

1.3 圍巖結(jié)構(gòu)窺視

采用數(shù)字全景窺視儀對(duì)地應(yīng)力測(cè)試鉆孔20 m的煤巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了窺視，巖層結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖3. 通過(guò)分析圖3得出以下結(jié)果：

15#煤層直接頂為石灰?guī)r，厚度9～10.5 m，致密堅(jiān)硬，巖層完整性普遍較好，局部存在原生微裂隙。石灰?guī)r以上約有2 m的細(xì)砂巖，巖層致密，完整性較好。細(xì)砂巖以上為泥巖夾層，厚度約0.5 m，夾層膠結(jié)疏松，含有方解石巖脈。泥巖以上為泥質(zhì)砂巖和砂質(zhì)泥巖，層間普遍含有軟弱夾層。單從巖層分布情況來(lái)看，頂板圍巖條件較好，厚層完整的石灰?guī)r以及以上的細(xì)砂巖能形成穩(wěn)定的、承載能力較強(qiáng)的承載結(jié)構(gòu)。

圖3 巷道頂板巖層結(jié)構(gòu)窺視圖

2 數(shù)值模擬計(jì)算與分析

以寺河礦二號(hào)井15#煤層153301工作面地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，采用FLAC3D軟件進(jìn)行模擬分析，研究寺河礦二號(hào)井9#煤層遺留煤柱下15#煤層153202巷合理布置位置。

2.1 模型建立及參數(shù)選取

數(shù)值模型采用平面應(yīng)變模型，寬260 m，高70 m. 邊界條件為：四周水平位移約束，上部為應(yīng)力邊界，底部為固定邊界，上覆巖層只考慮重力，用均分分布的應(yīng)力載荷取代。根據(jù)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果和模型厚度，模型初始垂直應(yīng)力施加7 MPa，水平應(yīng)力5 MPa，計(jì)算模型采用摩爾-庫(kù)倫模型[1]，所建立模型見(jiàn)圖4.

圖4 數(shù)值模型圖

2.2 模擬方案設(shè)計(jì)

模擬過(guò)程為原巖應(yīng)力平衡→9#煤采空區(qū)開(kāi)挖→153202巷開(kāi)挖?？紤]到上部9#煤層回采后煤柱應(yīng)力向底板傳遞，影響范圍較大，結(jié)合下煤層工作面巷道開(kāi)拓布置，模擬3種布置方案：方案一為153202巷與9#煤層遺留煤柱重疊布置，回采巷道受采空區(qū)影響較大；方案二為內(nèi)錯(cuò)30 m布置，回采巷道受采空區(qū)影響較小；方案三為內(nèi)錯(cuò)60 m布置，回采巷道基本不受采空區(qū)影響[2-4]. 具體方案見(jiàn)圖5.

圖5 數(shù)值模擬方案示意圖

2.3 模擬結(jié)果分析

上部9#煤回采后煤柱及兩側(cè)垂直應(yīng)力分布圖見(jiàn)圖6. 由圖6可以看出：9#煤回采后，在煤柱兩側(cè)煤壁出現(xiàn)支撐壓力峰值，形成“應(yīng)力核區(qū)”，應(yīng)力峰值在15.7 MPa左右，應(yīng)力集中系數(shù)為2.24. 煤柱內(nèi)應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)力向底板傳遞，形成一定范圍的應(yīng)力梯度區(qū)，對(duì)下煤層回采巷道穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生一定的影響[5].

圖6 9#煤回采后垂直應(yīng)力分布云圖

不同布置方式下153202巷開(kāi)挖后應(yīng)力場(chǎng)分布云圖見(jiàn)圖7. 通過(guò)對(duì)比可以看出，隨著153202巷道距上煤層采空區(qū)煤柱水平距離的增加，巷道周邊的應(yīng)力量值和應(yīng)力梯度隨之降低。內(nèi)錯(cuò)60 m布置時(shí)，巷道周邊形成的應(yīng)力場(chǎng)最有利于巷道維護(hù)。

不同布置方式下153202巷開(kāi)挖后圍巖垂直位移和水平位移圖分別見(jiàn)圖8，圖9. 巷道圍巖最大變形量見(jiàn)表2.

圖7 不同布置方式下153202巷應(yīng)力場(chǎng)分布圖

圖8 不同布置方式下153202巷垂直位移圖

圖9 不同布置方式下153202巷水平位移圖

表2 不同布置方式下153202巷道圍巖變形量表

由圖5，6可以得出，由于應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境和頂?shù)装鍘r性的不同，不同布置方式下，153202巷圍巖變形量總體上表現(xiàn)出左幫大于右?guī)?、底板大于頂板的特征。由?可知，隨著距上煤層煤柱邊緣距離的增加，153202巷圍巖變形量逐漸降低，在內(nèi)錯(cuò)60 m布置時(shí)，巷道頂板、兩幫和底板變形量最小，巷道穩(wěn)定性最好。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與監(jiān)測(cè)

基于以上數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，確定153202巷與上部采空區(qū)煤柱內(nèi)錯(cuò)60 m布置，巷道支護(hù)方式為錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)。采用十字布點(diǎn)法安設(shè)表面位移監(jiān)測(cè)斷面，對(duì)掘進(jìn)期間200 m范圍的試驗(yàn)段巷道變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，巷道頂?shù)装逡平考皟蓭鸵平孔兓€見(jiàn)圖10. 由圖10可知，巷道在整個(gè)掘進(jìn)期間，頂?shù)装逡平靠刂圃?30 mm以內(nèi)，兩幫移近量在100 mm以內(nèi)，巷道變形量較小。從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，內(nèi)錯(cuò)60 m布置時(shí)，巷道沒(méi)有出現(xiàn)明顯的變形和破壞，礦壓顯現(xiàn)較緩和。

圖10 巷道位移曲線圖

4 結(jié)論與建議

1) 地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表明，寺河礦二號(hào)井地應(yīng)力大小總體以水平應(yīng)力為主，屬于構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)類型，地應(yīng)力場(chǎng)在量值上屬于低應(yīng)力值礦井。

2) 9#煤回采后，采空區(qū)煤柱內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中，形成“應(yīng)力核區(qū)”，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到2.24，應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)力向底板傳遞，形成一定范圍的應(yīng)力梯度區(qū)，對(duì)下煤層回采巷道穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

3) 數(shù)值模擬結(jié)果表明，回采巷道與上部煤層遺留煤柱內(nèi)錯(cuò)60 m布置時(shí)，受上煤層遺留煤柱影響最小，巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境最為有利，巷道圍巖穩(wěn)定性更好。

4) 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果表明，掘進(jìn)期間，頂?shù)装遄冃瘟靠刂圃?30 mm以內(nèi)，兩幫移近量控制在100 mm以內(nèi)，無(wú)明顯變形和破壞，證明數(shù)值模擬結(jié)果可行。