含軟弱夾矸厚煤層巷道層位數(shù)值試驗(yàn)

余國(guó)猛

（江蘇礦業(yè)工程集團(tuán)第四工程處西川煤礦，江蘇 徐州 221116）

0 引 言

隨著我國(guó)煤炭生產(chǎn)向陜西、內(nèi)蒙、新疆等西北區(qū)域的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移[1]，含軟弱夾矸厚煤層（厚度大于3.5m）甚至巨厚煤層（達(dá)到200m）的回采巷道布置問(wèn)題受到了廣泛關(guān)注。軟弱夾矸破壞了巷道圍巖的連續(xù)性，是巷道圍巖變形破壞的薄弱結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重影響圍巖的整體穩(wěn)定性[2-4]。軟弱夾矸的層位、層厚、巖性被證明是影響巷道圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵參數(shù)[5-7]，在巖性固定的條件下，合理的軟弱夾矸層位、錨桿支護(hù)技術(shù)及支護(hù)參數(shù)可以有效控制軟弱夾矸誘導(dǎo)的巷道圍巖大變形破壞[8]。本文綜合采用理論分析、數(shù)值模擬、對(duì)比分析的方法研究了特定條件下軟弱夾矸層位對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響，從而確定了合理的巷道層位。

西川煤礦1113綜采放頂煤工作面布置在4#煤層中，煤層平均厚度為9.3m，平均傾角為4°，平均埋深為480m，包含4-1煤層、軟弱夾矸和4-2煤層，屬于典型的含軟弱夾矸厚煤層。4-1煤層平均厚度4.6m，4-2煤層平均厚度4.2m，夾矸層為炭質(zhì)泥巖，平均厚度0.5m。直接頂為粉砂巖，平均厚度1.5m?；卷敒橹辛Ｉ皫r，平均厚度10.3m，富含砂巖裂隙水。直接底為炭質(zhì)泥巖，平均厚度1.5m?；镜诪槟鄮r，平均厚度40.5m。1113工作面位于西川煤礦一采區(qū)西翼，東為一采區(qū)下山保護(hù)煤柱，西為采區(qū)邊界煤柱，南為正在回采的1111綜放工作面，北為未開(kāi)采區(qū)。1113工作面回采巷道設(shè)計(jì)為矩形斷面，斷面尺寸為4×3.5m。

1 數(shù)值計(jì)算方法

采用FLAC3D數(shù)值分析軟件計(jì)算軟弱夾矸層位對(duì)巷道圍巖應(yīng)力、位移、塑性區(qū)的作用規(guī)律。數(shù)值計(jì)算模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高為200m×133m×120m，單元格84462，采用“摩爾-庫(kù)倫”本構(gòu)模型模擬各巖層的力學(xué)行為。該模型上表面設(shè)定為應(yīng)力邊界，應(yīng)力值按照煤層埋深400m時(shí)上覆煤巖層自重載荷計(jì)算，側(cè)應(yīng)力系數(shù)為1，底邊界在垂直方向固定，兩側(cè)邊界和前后邊界水平方向固定，模型中各分層的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

考察學(xué)習(xí)中，考察團(tuán)一行先后來(lái)到長(zhǎng)治市武鄉(xiāng)八路軍紀(jì)念館和平順縣，進(jìn)行重溫入黨誓詞，并聽(tīng)全國(guó)勞動(dòng)模范申紀(jì)蘭老人上黨課，接受愛(ài)國(guó)主義教育。同時(shí)結(jié)合此行考察重點(diǎn)，考察團(tuán)還對(duì)長(zhǎng)治市幾個(gè)鄉(xiāng)、縣的種植、養(yǎng)殖合作社、集體經(jīng)濟(jì)示范村、鄉(xiāng)村旅游示范點(diǎn)的運(yùn)營(yíng)管理、農(nóng)村“兩委”建設(shè)、民主管理、村委會(huì)民主監(jiān)督等典型經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了學(xué)習(xí)和交流。對(duì)長(zhǎng)治市城區(qū)相關(guān)社區(qū)基層黨建和社會(huì)管理工作進(jìn)行了深入了解。

這是詩(shī)中“我”作為主體的最后一次狀態(tài)陳述，S4表示“現(xiàn)在”的“我”，O4為價(jià)值對(duì)象“大陸”。在“我”的老年時(shí)期，價(jià)值對(duì)象由人變成了祖國(guó)，而“我”與祖國(guó)仍處于析取狀態(tài)。

綜合分析巷道層位對(duì)煤巷圍巖應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、塑性區(qū)的作用規(guī)律可知，方案3和方案7應(yīng)力集中區(qū)距離巷道較其他方案近，應(yīng)力降低區(qū)范圍較其他方案小，位移矢量分布較均勻、較小，圍巖累計(jì)變形量相對(duì)較小、塑性區(qū)范圍較小，圍巖承載能力較強(qiáng)，是較為合理的夾矸層位，考慮到方案7巷道留底煤厚度顯著大于方案3，最終確定巷道的層位為方案3。

表1 巖層的物理力學(xué)參數(shù)

圖1 巷道層位布置圖

2 巷道層位對(duì)煤巷圍巖穩(wěn)定性影響

2.1 圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布

2）提出用煤巷圍巖的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)和塑性區(qū)分布作為衡量軟弱夾層層位對(duì)厚煤層巷道圍巖穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)分析指標(biāo)。

隨著巷道層位的變化，圍巖水平應(yīng)力分布差異比較明顯，主要體現(xiàn)在水平應(yīng)力降低區(qū)和升高區(qū)的分布、應(yīng)力集中程度不同（圖3）。方案1頂?shù)装逅綉?yīng)力集中區(qū)距離巷道較遠(yuǎn)，值為14MPa，圍巖頂?shù)装甯浇霈F(xiàn)水平應(yīng)力降低區(qū)，兩幫水平應(yīng)力降低區(qū)范圍較大；方案2底板水平應(yīng)力集中區(qū)明顯上移靠近巷道底板，頂板水平應(yīng)力集中區(qū)位置基本不變，范圍有所減小，值為14MPa，頂板應(yīng)力降低區(qū)與兩幫應(yīng)力降低區(qū)導(dǎo)通，形成圍巖貫通性水平應(yīng)力降低區(qū)；方案3頂?shù)装逅綉?yīng)力集中區(qū)均向巷道附近平移，且值也減小到12MPa，頂?shù)装逅綉?yīng)力降低區(qū)范圍大大減小，兩幫水平應(yīng)力降低區(qū)相對(duì)于方案1、2也較??；方案4頂板水平應(yīng)力集中區(qū)分為兩個(gè)中心，值均為12MPa，距離巷道頂板較近，底板水平應(yīng)力集中區(qū)范圍較小，值較大，達(dá)到20MPa，水平應(yīng)力降低區(qū)主要分布于兩幫位置，且呈B型對(duì)稱(chēng)分布；方案5頂板水平應(yīng)力集中區(qū)距離巷道較近，水平應(yīng)力大小為12MPa，底板水平應(yīng)力集中區(qū)距離巷道較遠(yuǎn)，應(yīng)力值為16MPa，頂?shù)装逅綉?yīng)力出現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象水平應(yīng)力降低區(qū)主要出現(xiàn)在巷道幫部；方案6頂板水平應(yīng)力升高區(qū)范圍較小，距離巷道較近，應(yīng)力大小為14MPa，底板水平應(yīng)力集中范圍較大，應(yīng)力大小為16MPa，水平應(yīng)力降低區(qū)主要出現(xiàn)在巷道兩幫和底板上，形成貫通性水平應(yīng)力降低區(qū)；方案7頂?shù)装逅綉?yīng)力集中區(qū)距離巷道較近，應(yīng)力大小均為14MPa，底板水平應(yīng)力集中區(qū)范圍較大，水平應(yīng)力降低區(qū)主要分布于兩幫和底板，且兩幫水平應(yīng)力降低區(qū)形狀類(lèi)似翅膀，呈對(duì)稱(chēng)分布。

圖2 煤巷圍巖垂直應(yīng)力場(chǎng)

我不知該怎樣表達(dá)自己的感激了。我躬著身子，一步一句地道謝林老板。出了總經(jīng)理室，我迅速給阿花發(fā)了個(gè)信息：談得很成功！然后跟著李霞去了拋光車(chē)間。不少老同事一見(jiàn)我，歡呼雀躍了，爭(zhēng)著說(shuō)阿坤，要不要我？早就不想在這鳥(niǎo)廠干了。我說(shuō)不要老朋友要誰(shuí)？要！我挑了十個(gè)人，包括劉建，都是我以前的同事。他們都是大發(fā)廠拋光車(chē)間的中堅(jiān)力量，技術(shù)非常嫻熟。我還擔(dān)心大發(fā)廠舍不得放呢，沒(méi)想到李霞和夏俊都沒(méi)提出異議，大概是林強(qiáng)信發(fā)了話，他們只有遵照?qǐng)?zhí)行了。

圖3 煤巷圍巖水平應(yīng)力場(chǎng)

2.2 圍巖位移場(chǎng)分布

巷道層位對(duì)巷道圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律如圖5所示。整體上來(lái)講方案3、4、5、7圍巖塑性破壞區(qū)顯著小于方案1、2、6。方案1底板圍巖塑性區(qū)分布范圍較廣，直接底出現(xiàn)深度拉剪破壞，直接頂和兩幫淺部圍巖出現(xiàn)深度壓剪破壞，較深部的圍巖出現(xiàn)輕度壓剪破壞；方案2直接頂出現(xiàn)較大范圍的深度拉剪破壞，破壞深度為1m，直接底出現(xiàn)深度拉剪破壞，兩幫淺部圍巖主要為壓剪破壞；方案3直接頂出現(xiàn)輕度拉剪破壞，破壞范圍較小，直接底出現(xiàn)小范圍的深度拉剪破壞，兩幫主要為深度壓剪破壞；方案4、5直接頂板和底板均出現(xiàn)輕度拉剪破壞，深部圍巖出現(xiàn)壓剪破壞，兩幫為深度壓剪破壞；方案6底板出現(xiàn)深度拉剪破壞，破壞深度為1m，頂板為輕度壓剪破壞，兩幫為深度壓剪破壞；方案7頂板出現(xiàn)輕度和深度拉剪破壞，兩幫和頂板淺部圍巖均為壓剪破壞。

圖4 煤巷圍巖位移場(chǎng)

2.3 圍巖塑性區(qū)分布

巷道層位對(duì)圍巖位移場(chǎng)影響如圖4所示。方案1和方案2圍巖位移顯著大于其他方案，方案1底鼓變形較大。方案2頂?shù)装遄冃未笮∠喈?dāng)，兩幫變形較小。對(duì)于方案 3、4、5、6、7，位移矢量分布較大的部位均為夾矸層所在層位，且?jiàn)A矸層周邊圍巖位移矢量也相對(duì)較大。

圖5 煤巷圍巖塑性區(qū)

為了充分研究夾矸層位對(duì)巷道圍巖承載能力的影響，提出6個(gè)模擬方案：方案1為巷道布置在4-2煤層中，留0.5m厚底煤掘進(jìn)；方案2為巷道布置在4-2煤層中，沿夾矸層掘進(jìn)；方案3為巷道布置在4-2煤層中，沿4-1煤層掘進(jìn)；方案4為巷道布置在4-1和4-2煤層中破夾矸掘進(jìn)；方案5為巷道布置在4-1煤層中，破夾矸沿4-2煤層掘進(jìn)；方案6為巷道布置在4-2煤層中沿夾矸層掘進(jìn)，各方案巷道層位布置如圖1所示。

3 結(jié)論

1）發(fā)現(xiàn)軟弱夾矸是煤巷圍巖變形破壞的薄弱結(jié)構(gòu)，容易引起鄰近圍巖的塑性破壞，是含軟弱夾矸厚煤層巷道圍巖控制的關(guān)鍵部位。

隨著巷道層位的變化，圍巖垂直應(yīng)力分布規(guī)律整體上非常相似，區(qū)別在于應(yīng)力降低區(qū)和應(yīng)力升高區(qū)范圍不同（圖2）。方案1、2、6、7底板垂直應(yīng)力降低區(qū)遠(yuǎn)大于方案3、4、5；方案1、2頂板垂直應(yīng)力降低區(qū)較大；方案6兩幫垂直應(yīng)力升高區(qū)范圍較大。

3）確定了具體工程地質(zhì)條件下巷道的合理層位是使夾矸位于煤巷的幫部，大大減小了圍巖變形破壞，為厚煤層綜放工作面回采巷道布置提供了理論依據(jù)。