采動(dòng)影響下極近距離煤層圍巖穩(wěn)定性分析

賈波

【摘 要】 為了研究極近距離煤層開(kāi)采時(shí)對(duì)巷道的頂板下沉和巷道的圍巖變形的影響，本文以某礦為研究背景，通過(guò)理論計(jì)算和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式對(duì)上覆巖層的破壞形式作出了一定的研究，得到冒落帶和裂隙帶在某礦的高度，并研究了巷道開(kāi)采對(duì)巷道圍巖的應(yīng)力分布研究，為礦山的支護(hù)提供了一定的理論指導(dǎo)。

【關(guān)鍵詞】 極近距離;數(shù)值模擬;理論計(jì)算;圍巖變形

【中圖分類(lèi)號(hào)】 TD325.3 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A

【文章編號(hào)】 2096-4102（2020）03-0015-02 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

隨著我國(guó)使用煤炭的時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，賦存條件較為復(fù)雜的煤層也逐步得到了開(kāi)采，在開(kāi)采過(guò)程中眾多的問(wèn)題也就紛紛冒了出來(lái)。極近距離的煤層開(kāi)采問(wèn)題已經(jīng)越來(lái)越受到了人們的關(guān)注。本文以某礦為研究背景通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬研究對(duì)礦山的極近距離煤層作出了一定的研究，為礦山極近距離煤層開(kāi)采做出了一定的指導(dǎo)。

1工程概況

礦區(qū)二采區(qū)位于井田南部，呈東西布置。其中10#和11#煤層共7.4m，煤層性質(zhì)穩(wěn)定，平均傾角為7°，巖層柱狀圖如圖1所示。

從巖層分布可以看出，合并層的煤層底板為泥巖，在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)注意頂板淋水問(wèn)題。從生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，9#煤層已經(jīng)采完，其巷道布置方式與10#和11#煤層呈現(xiàn)垂直狀態(tài)，為了保證安全生產(chǎn)，9#煤層留設(shè)有寬度不一致的區(qū)段煤柱。由于9#煤層開(kāi)采頂板的垮落，使得10#和11#煤層頂板受力過(guò)大，變形嚴(yán)重，給支護(hù)帶來(lái)了困難，區(qū)段煤柱的存在導(dǎo)致10#和11#煤層頂板受力不均勻，造成開(kāi)采困難。

2上覆巖層的破壞研究

礦山的上覆巖層一般由細(xì)砂巖、中砂巖和泥巖等組成，通常在開(kāi)采過(guò)程中，采空區(qū)和采場(chǎng)會(huì)形成三帶，分別為冒落帶、彎曲下沉帶和裂隙帶。而相應(yīng)的每個(gè)帶都有著自己的特性。冒落帶是由于煤礦的開(kāi)采破壞了原有的地應(yīng)力平衡，當(dāng)采煤工作完成后，大面積的上覆巖層會(huì)喪失原有的支撐面，從而發(fā)生斷裂、冒落等情況并將采空區(qū)進(jìn)行填充，填充后的巖體又會(huì)對(duì)上部的巖層產(chǎn)生一定的支護(hù)作用，避免了上覆巖層的進(jìn)一步垮落，所以此類(lèi)區(qū)域的裂隙發(fā)育完好，有較好的通透性。裂隙帶是存在于冒落帶的上方，由于冒落帶斷裂冒落后，在巷道的上部又重新形成了新的上覆巖層，冒落帶的垮落形成的裂隙帶的巖層又會(huì)承受上部巖層的載荷，出現(xiàn)大量的裂隙，出現(xiàn)一定的連通性但巖層不會(huì)垮落。彎曲下沉帶處于裂隙帶的上部，由于力學(xué)環(huán)境發(fā)生了改變巖層發(fā)生大面積的彎曲和下沉，但內(nèi)部巖層無(wú)明顯裂隙產(chǎn)生，且在巖層的內(nèi)部可能會(huì)出現(xiàn)離層等情況。不同的地質(zhì)條件會(huì)發(fā)生不同的破壞情況，所以破壞機(jī)理的研究也就成為了重中之重。一般來(lái)說(shuō)上覆巖層的破壞受到采高、上覆巖層的巖性、采煤的速度和巖層的原生裂隙的多少等影響。采區(qū)和采空區(qū)形成的三帶如圖1所示。

為了更好地確定上覆巖層的垮落帶與裂隙帶的高度，采用理論計(jì)算公式對(duì)冒落帶和裂隙帶進(jìn)行一定的分析。

冒落帶的高度理論計(jì)算公式如下：

Ha=

公式中：Ha為上覆巖層冒落帶厚度;M為煤層的開(kāi)采高度;W為采場(chǎng)頂板的下降量;K為冒落帶垮落的巖石膨脹系數(shù);α為煤層的傾角。

將本礦的數(shù)據(jù)帶入到公式中可得，煤礦開(kāi)采時(shí)的理論冒落帶高度為8.4m。而裂隙帶的理論計(jì)算公式與之前的計(jì)算公式有所不同，不同的巖層屬性會(huì)對(duì)裂隙帶的理論值計(jì)算產(chǎn)生一定的影響，根據(jù)礦山的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以得到礦山的巖層為中等硬度的巖層，所以可以按照如下公式進(jìn)行計(jì)算：

Hb=±5.6

Hd=20+10

根據(jù)公式計(jì)算可知上覆巖層的裂隙帶的高度為40m左右。在確定了上覆巖層的冒落帶和裂隙帶的高度后，利用數(shù)值模擬軟件對(duì)開(kāi)采過(guò)程中的頂板位移和變形量進(jìn)行進(jìn)一步的分析和研究，更好地掌握頂板隨著開(kāi)采擾動(dòng)的應(yīng)力分布情況。

利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬中10#和11#煤層的平均厚度為7.4m，煤層埋深按400m計(jì)算，整個(gè)模型的尺寸為320m×210m×100m，設(shè)置模型四個(gè)側(cè)面為水平位移邊界，根據(jù)巷道原形建立總體模型，再在總體模型的基礎(chǔ)上建立子模型，子模型的邊界條件由總體模型的輸出自動(dòng)施加。模型中煤、巖層采用八節(jié)點(diǎn)等參數(shù)單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，模型共劃分402135個(gè)單元，421025個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型模擬圖如圖2所示。

從圖2可以看出，最上面的巖層分布層的應(yīng)力最大，約為7MPa左右，應(yīng)力云圖呈現(xiàn)出對(duì)稱(chēng)分布的狀態(tài)，以上覆巖層的中點(diǎn)的垂線(xiàn)為對(duì)稱(chēng)軸，隨著距離中點(diǎn)的距離逐步增大，巖層受到的載荷應(yīng)力先呈現(xiàn)出不變的趨勢(shì)后逐步減小，冒落帶和裂隙帶的寬度分別為10m和42m，圖中紅色的部分為數(shù)值模擬模型設(shè)置的冒落帶，藍(lán)色的部分設(shè)置為上覆巖層的裂隙帶，其余顏色為冒落帶與裂隙帶的接觸位置，最終的設(shè)置為冒落帶高度10.2m，上覆巖層的裂隙帶的高度為42.9m。支護(hù)時(shí)應(yīng)當(dāng)充分將倆種模式的破壞計(jì)算進(jìn)去，最終達(dá)到較好的支護(hù)效果。

3下煤層開(kāi)采對(duì)巷道圍巖影響研究

在進(jìn)行下煤層的穩(wěn)定性分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)隨著開(kāi)采工作的不斷推進(jìn)，采空區(qū)的面積也就越來(lái)越大，采空區(qū)的體積越大，周?chē)鷰r石的力學(xué)特性也會(huì)發(fā)生一定的改變，隨著圍巖和頂板的力學(xué)特性的改變使得巖層處于反復(fù)的應(yīng)力加載與應(yīng)力卸載過(guò)程中，更加加快了巖層的斷裂和垮落。下煤層開(kāi)采后圍巖的模擬云圖如圖3所示。

根據(jù)圖3可以看出，水平方向的應(yīng)力圖的應(yīng)力最大值出現(xiàn)在中部附近，最大值的壓應(yīng)力為11MPa左右，最大的拉應(yīng)力為6.8MPa左右，最大的應(yīng)力值分布呈現(xiàn)出對(duì)稱(chēng)性，以巷道的中心垂向?yàn)閷?duì)稱(chēng)軸，圍巖的大部分區(qū)域應(yīng)力值集中在2～3MPa左右，且均為壓應(yīng)力，再?gòu)膰鷰r受到的來(lái)自Z方向的載荷可以看出，圍巖的最大拉應(yīng)力為6.6MPa左右，最大的壓應(yīng)力為19MPa，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)的范圍同樣在巷道的兩端部位，云圖呈現(xiàn)出對(duì)稱(chēng)分布，以巷道的中心為對(duì)稱(chēng)軸，巷道的上端部和下端部分別呈現(xiàn)出拉應(yīng)力，其余部位均為壓應(yīng)力，且拉應(yīng)力大致的分布范圍均在10MPa附近，可以看出圍巖的垂向應(yīng)力明顯高于圍巖的水平應(yīng)力，所以圍巖的變形和破壞大多源自圍巖的豎直方向的應(yīng)力載荷，在進(jìn)行支護(hù)工作時(shí)應(yīng)當(dāng)充分考慮到圍巖的豎直方向應(yīng)力的解決可以有效地減少?lài)鷰r的大變形問(wèn)題。

4結(jié)論

本文根據(jù)理論公式計(jì)算得出了某礦在極近距離開(kāi)采下上覆巖層的裂隙帶高度為40m左右，影響到下覆煤層的安全開(kāi)采。

根據(jù)數(shù)值模擬的計(jì)算得到了數(shù)值模擬下的冒落帶高度為10.2m，上覆巖層裂隙帶為43m左右，由于和理論計(jì)算的高度差值不大，所以選取數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果作為支護(hù)的參數(shù)。

根據(jù)數(shù)值模擬對(duì)巷道的圍壓應(yīng)力分布做出了一定的研究，并得到了水平方向的最大壓應(yīng)力為11MPa，豎直方向的最大壓應(yīng)力為19MPa。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王大鵬.沙坪煤業(yè)8#極近距離煤層安全開(kāi)采技術(shù)研究[J].煤炭工程，2018，50（S1）：1-4.

[2]張柏林.近距離煤層復(fù)雜采空區(qū)下工作面安全開(kāi)采影響因素分析[J].煤礦安全，2018，49（7）：212-215.

[3]黃慶享，賀雁鵬，羅利卜，等.淺埋極近距離煤層采空區(qū)垮落頂板活化結(jié)構(gòu)及支架阻力研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2018，35（3）：561-566.

[4]張宏偉，趙象卓，韓軍，等.極近距離煤層重復(fù)采動(dòng)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，37（2）：225-231.

[5]張步元.近距離煤層采空區(qū)下回采巷道圍巖控制技術(shù)研究與應(yīng)用[J].煤礦現(xiàn)代化，2019（5）：1-3.

[6]王衛(wèi)東.采空區(qū)下近距離煤層回采巷道布置優(yōu)化[J].煤礦現(xiàn)代化，2018（6）：1-3.

[7]王玉懷，張志科，黃剛，等.近距離煤層采空區(qū)下回采巷道合理位置的選擇[J].華北科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，15（1）：6-10.

[8]賈建東.近距離煤層回采巷道支護(hù)技術(shù)研究[J].山西能源學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，32（1）：10-11，20.