近距離煤層采空區(qū)及煤柱下巷道分區(qū)支護研究

張曉亮 宋選民 劉 成

(1. 太原理工大學(xué)原位改性采礦教育部重點實驗室，山西省太原市，030024；2. 山西介休義棠城峰煤業(yè)有限公司，山西省晉中市，030600)

傳統(tǒng)的煤炭開采一般采用下行開采順序，對于近距離煤層，上層煤開采之后，受頂板垮落及區(qū)段煤柱的作用，采空區(qū)及區(qū)段煤柱下的應(yīng)力狀態(tài)重新分布[1-2]，煤柱應(yīng)力向底板傳遞，改變下層煤頂?shù)装宓膰鷰r應(yīng)力條件，下層煤頂板受到不同程度的破壞，使圍巖受力復(fù)雜、支護難度大，巷道支護及維修成本高，不利于礦井安全高效生產(chǎn)。國內(nèi)對近距離煤層一般將回采巷道布置于區(qū)段煤柱下方的應(yīng)力降低區(qū)[3]，回采巷道一般與上覆區(qū)段煤柱平行。國內(nèi)外學(xué)者對于下層巷道布置方式(與區(qū)段煤柱的錯距)及支護方式進行過很多研究[4-6]，也取得相當(dāng)不錯的成果。

對于回采巷道垂直或斜交上覆煤層區(qū)段煤柱且區(qū)段煤柱寬度和煤層間距不均勻的情況，巷道掘進過程中要不斷進出區(qū)段煤柱下方區(qū)域，且受工作面采動影響嚴(yán)重[7]。下層巷道支護面臨的主要問題包括：垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力集中明顯，頂板易發(fā)生彎曲下沉；巷道圍巖裂隙發(fā)育，頂板完整性遭到破壞，自承能力下降；煤柱應(yīng)力和采動應(yīng)力疊加使巷道維護難度增大[8]。因此，為減輕上覆采空區(qū)及區(qū)段煤柱的影響，回采巷道處于上覆區(qū)段煤柱的影響范圍內(nèi)時，應(yīng)采取措施加強巷道的支護。根據(jù)不同圍巖應(yīng)力條件和所受的動壓情況，進行分源控制、分區(qū)支護、主動支護，確保巷道掘進及回采安全。采用數(shù)值模擬手段，研究不同寬度區(qū)段煤柱下回采巷道的應(yīng)力分布及變形規(guī)律，并依此對巷道進行分區(qū)，對巷道受掘進及采動影響下的支護進行研究，為采空區(qū)及區(qū)段煤柱下回采巷道支護提出合理的建議。

1 工程概況

山西城峰煤業(yè)井田西南部為10#煤層和11#煤層合并區(qū)，合并后10#煤層厚度為3.65～8.35 m，平均7.4 m，煤層傾角為6°～8°，煤層埋藏深度為350～390 m，煤層含多層夾矸，屬簡單結(jié)構(gòu)煤層，穩(wěn)定可采。合并區(qū)內(nèi)10#煤層采用走向長臂采煤方法，回采工藝為綜放開采，工作面長度164 m，采高2.8 m，采用全部垮落法管理頂板，煤層頂?shù)装鍨樯百|(zhì)泥巖。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研情況及現(xiàn)場窺視結(jié)果，該區(qū)域合并區(qū)內(nèi)10#煤層開采存在以下特點：

(1)9#煤層已經(jīng)采空，采空區(qū)之間區(qū)段煤柱寬度為15～30 m；

(2)鉆孔窺視結(jié)果顯示9#煤層采空之后，采空區(qū)底板的破壞深度為1.0～2.0 m；

(3)10#煤層與9#煤層間距變化較大，且層間距不均勻；

(4)10#煤層頂板之上0～7 m范圍內(nèi)為比較穩(wěn)定的巖層，煤層頂板以泥巖和砂質(zhì)泥巖為主。

10#煤層工作面回采巷道沿煤層底板布置，與9#煤層區(qū)段煤柱垂直。10#煤層工作面回采巷道及9#煤層采空區(qū)的相對位置關(guān)系見圖1。受上覆9#煤層采空區(qū)及區(qū)段煤柱的影響，10#煤層巷道頂板應(yīng)力狀態(tài)受到破壞，10#煤層工作面回采巷道要不斷橫穿上覆區(qū)段煤柱，10#煤層工作面回采巷道圍巖存在不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且受10#煤層工作面采動影響，巷道非工作幫的應(yīng)力集中及巷道變形比較明顯。針對9#煤層和10#煤層的賦存情況，對10#煤層工作面回采巷道的應(yīng)力狀態(tài)和支護方式進行研究。

2 模型的建立及模擬方案

采用Flac3D數(shù)值模擬結(jié)合Tecplot分析軟件，在9#煤層采空的情況下，對不同寬度區(qū)段煤柱下方的應(yīng)力分布、10#煤層回采巷道受采動影響時巷道圍巖的應(yīng)力、位移量、破壞范圍進行分析，給出回采巷道合理的支護方案。

2.1 數(shù)值模型的建立

本次數(shù)值模擬9#煤層厚度為1.3 m，10#煤層厚度為7.4 m，層間距10 m，建立三維數(shù)值模型尺寸為320 m×210 m×100 m，共劃分390432個單元、409317個節(jié)點。模型的三維立體圖見圖2。模型4個側(cè)面及底部為固定邊界，頂部施加垂直應(yīng)力(按10#煤層最大埋深380 m考慮)，側(cè)壓系數(shù)取1.1。模型中各地層的參數(shù)見表1。

表1 模型各地層的物理參數(shù)

圖2 三維數(shù)值模型圖

2.2 數(shù)值模擬方案及過程

(1)數(shù)值模擬時先進行9#煤層工作面的回采開挖，9#煤層區(qū)段煤柱寬度設(shè)置4個方案，分別取15 m、20 m、25 m、30 m，如圖3所示，9#煤層回采之后運算至平衡；分析不同寬度區(qū)段煤柱寬度時，9#煤層區(qū)段煤柱內(nèi)及其下方10#煤層的應(yīng)力分布規(guī)律。

圖3 開挖模擬方案示意圖

(2)進行10#煤層工作面回采巷道掘進及工作面回采(10#煤層工作面為綜放開采，采高2.8 m，工作面長度164 m，區(qū)段煤柱寬度25 m)；以受兩次采動影響的工作面回風(fēng)巷為研究對象，結(jié)合9#煤層區(qū)段煤柱下方的應(yīng)力分布規(guī)律，對不同區(qū)段的回采巷道的支護參數(shù)進行分區(qū)設(shè)計優(yōu)化，并對其支護效果進行數(shù)值模擬驗證。

3 區(qū)段煤柱下應(yīng)力分布規(guī)律數(shù)值研究

利用數(shù)值模擬方法，結(jié)合9#煤層和10#煤層的層間距，研究9#煤層開采之后不同寬度區(qū)段煤柱時10#煤層頂板的應(yīng)力分布狀態(tài)。

9#煤層未開采時，10#煤層頂板的原巖應(yīng)力約為9.7 MPa。9#煤層被長臂采空，工作面之間區(qū)段煤柱寬度為15 m、20 m、25 m、30 m。9#煤層開采之后，區(qū)段煤柱所承受的應(yīng)力向底板傳遞，10#煤層頂板的應(yīng)力狀態(tài)重新分布，9#煤層采空區(qū)下方巖層的應(yīng)力得到釋放；9#煤層區(qū)段煤柱所受應(yīng)力向底板傳遞，導(dǎo)致10#煤層工作面回采巷道頂板應(yīng)力集中。將Flac 3D數(shù)值模擬結(jié)果導(dǎo)入Tecplot，得到不同寬度區(qū)段煤柱下方10#煤層及其頂板的應(yīng)力分布等值線圖見圖4；不同寬度區(qū)段煤柱下方10#煤層巷道頂板垂直應(yīng)力變化曲線見圖5。

由圖4可知，位于采空區(qū)下方的10#煤層頂板垂直應(yīng)力由原巖應(yīng)力(9.7 MPa)降低為3～5 MPa，為原巖應(yīng)力的30%～50%。從應(yīng)力的角度分析，位于9#煤層采空區(qū)下方的巷道處于應(yīng)力降低區(qū)，在巷道頂板完整性較好的情況下，有利于巷道的維護。

圖4 不同寬度區(qū)段煤柱下方應(yīng)力分布

圖5 10#煤層巷道頂板垂直應(yīng)力變化曲線

對比圖4不同寬度區(qū)段煤柱下圍巖的應(yīng)力等值線分布并結(jié)合圖5可得出以下研究結(jié)論：

(1)15 m煤柱由于其寬度較小，在區(qū)段煤柱內(nèi)形成“單核”應(yīng)力集中區(qū)；

(2)20 m、25 m、30 m區(qū)段煤柱內(nèi)形成“雙核”應(yīng)力集中區(qū)；

(3)結(jié)合圖5分析可知，區(qū)段煤柱下方的圍巖的垂直應(yīng)力均超過原巖應(yīng)力，且應(yīng)力增高區(qū)影響范圍已經(jīng)超過區(qū)段煤柱寬度；

(4)區(qū)段煤柱中心線正下方應(yīng)力最大，10#煤層頂板垂直應(yīng)力為18～22 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2～2.5；

(5)隨著煤柱寬度的增大，10#煤層頂板對應(yīng)位置的垂直應(yīng)力也逐漸變小。

由圖5可以看出，9#煤層不同寬度區(qū)段煤柱影響的應(yīng)力增高區(qū)范圍不同。不同寬度區(qū)段煤柱的應(yīng)力分布情況見表2。

表2 不同寬度區(qū)段煤柱應(yīng)力分布情況統(tǒng)計表

結(jié)合圖5和表2可以看出：

(1)與原巖應(yīng)力(9.7 MPa)相比，不同寬度區(qū)段煤柱應(yīng)力集中范圍分別為33 m、35 m、38 m、41 m，其與煤柱寬度的比值為2.2、1.75、1.52、1.37；

(2)除去煤柱寬度，分別在進出煤柱9 m、7.5 m、6.5 m、5.5 m范圍內(nèi)的應(yīng)力相對比較集中，煤柱寬度越大，煤柱前后的影響范圍越?。?/p>

(3)與采空區(qū)應(yīng)力(最大5 MPa)相比，不同寬度區(qū)段煤柱前后21.5 m、15 m、14.4 m、14.6 m 范圍內(nèi)的應(yīng)力較大。

綜合不同寬度的區(qū)段煤柱的應(yīng)力分布情況，10#煤層回采巷道與9#煤層區(qū)段煤柱垂直布置時，受上覆9#煤層采空區(qū)和區(qū)段煤柱的影響，按照10#煤層巷道頂板的不同應(yīng)力狀態(tài)，將10#煤層工作面回采巷道分為應(yīng)力降低區(qū)(≤5 MPa)、應(yīng)力增高區(qū)(5～9.7 MPa)、應(yīng)力集中區(qū)(≥9.7 MPa)3個應(yīng)力區(qū)，如圖6所示(距離的正負分別表示煤柱兩側(cè)距離煤柱中心線的距離)。10#煤層回采巷道不同應(yīng)力分區(qū)距離煤柱中心線的距離分別為≥35 m、20～35 m、0～20 m。

圖6 回采巷道應(yīng)力分區(qū)示意圖

4 回采巷道分區(qū)支護研究

4.1 回采巷道分區(qū)支護設(shè)計

工作面回采巷道穩(wěn)定性受煤柱應(yīng)力、巷道掘進、工作面回采、二次采動等因素的影響，其中二次采動對巷道穩(wěn)定性的影響最劇烈。結(jié)合該礦的實際情況，對于10#煤層不同應(yīng)力區(qū)段的巷道支護，應(yīng)遵循一次主動支護、高強度低密度、經(jīng)濟合理性等原則，結(jié)合巷道所處的應(yīng)力環(huán)境和變形特征進行分區(qū)、分源、主動支護。從巷道圍巖應(yīng)力分析，為使巷道在受工作面采動影響時保持較好的穩(wěn)定性，當(dāng)巷道處于應(yīng)力增高區(qū)和應(yīng)力集中區(qū)時，應(yīng)針對巷道的不同應(yīng)力和頂?shù)装鍡l件采用不同的巷道圍巖支護方案。

10#煤層工作面回風(fēng)巷受相鄰工作面和本工作面兩次采動影響，破壞嚴(yán)重且服務(wù)年限比較長，故本次分區(qū)支護研究以工作面回風(fēng)巷為例，對9#煤層20 m區(qū)段煤柱下回采巷道的穩(wěn)定性進行研究。工作面回風(fēng)巷沿煤層底板掘進，矩形斷面，斷面尺寸為3.9 m×2.8 m。

對于工作面回風(fēng)巷不同的應(yīng)力分區(qū)，分別給出3種不同的支護方案，不同支護方案區(qū)別在于巷幫的支護強度：采空區(qū)下方巷道即應(yīng)力降低區(qū)，幫錨桿間排距為1000 mm×900 mm；應(yīng)力增高區(qū)增加巷幫支護密度，幫錨桿間排距變?yōu)?00 mm×900 mm；考慮到應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，且受兩次采動影響嚴(yán)重，幫錨桿間排距變?yōu)?00 mm×900 mm，并在非工作幫增加幫錨索加強支護。巷道不同分區(qū)的支護方案見表3。

表3 工作面回風(fēng)巷分區(qū)支護方案表

4.2 巷道分區(qū)支護數(shù)值模擬結(jié)果

當(dāng)巷道位于區(qū)段煤柱下方且受兩次采動影響時，巷道受力最復(fù)雜，巷道圍巖控制難度最大。采用應(yīng)力集中區(qū)加強支護方案，巷道掘進及兩次采動影響時期的穩(wěn)定狀態(tài)圖見圖7(圖中巷道左側(cè)為工作幫，右側(cè)為煤壁幫)。應(yīng)力集中區(qū)巷道各時期垂直應(yīng)力見圖8。

圖7 應(yīng)力集中區(qū)巷道各時期塑性區(qū)分布

圖8 應(yīng)力集中區(qū)巷道各時期垂直應(yīng)力

由圖7和圖8可以看出，巷道掘進時期圍巖穩(wěn)定性較好，塑性區(qū)破壞較少，巷道應(yīng)力集中于巷道兩幫，呈對稱分布，巷幫應(yīng)力集中系數(shù)為2.4。相鄰工作面回采之后，垂直應(yīng)力集中于非工作幫的煤壁內(nèi)，對巷道工作幫的影響比較明顯，巷幫破壞深度約為1.0 m；由于煤柱幫錨索的作用，煤柱幫的塑性破壞較小，破壞深度為0.5～1.0 m，巷道圍巖整體處于穩(wěn)定狀態(tài)；巷道圍巖變形量較小。受本工作面超前采動影響時，巷道工作幫及底板破壞比較明顯，巷道工作幫煤壁破壞深度增加0.5 m，局部區(qū)域幫部破壞延伸到巷道頂板；煤柱幫由于錨索的加強支護，本工作面采動時巷幫破壞無明顯增加，巷道工作幫變形量約為煤柱幫變形量的1.4倍，巷道整體比較穩(wěn)定。應(yīng)力集中區(qū)巷道加強支護，尤其是煤柱幫錨索加強支護效果明顯，能較好控制應(yīng)力集中區(qū)的巷道圍巖。

5 研究結(jié)論

(1)回采巷道垂直上覆區(qū)段煤柱時，區(qū)段煤柱下方應(yīng)力均超過原巖應(yīng)力，煤柱中心線正下方應(yīng)力最大，且隨著煤柱寬度的增大，巷道頂板對應(yīng)位置應(yīng)力越??；區(qū)段煤柱越寬，應(yīng)力集中區(qū)與煤柱寬度的比值越小。

(2)依據(jù)10#煤層回采巷道頂板所受垂直應(yīng)力，將巷道分為應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)3個應(yīng)力區(qū)，分區(qū)距離煤柱中心線距離分別為≥35 m、20～35 m、0～20 m。

(3)針對不同的巷道應(yīng)力分區(qū)、采動影響情況等因素，考慮到巷幫應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，對應(yīng)力增高區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)巷道幫部采取減小幫錨桿間排距并增加幫錨索的加強支護方式，能較好地控制區(qū)段煤柱下方的巷道圍巖。