近距離煤層下層巷道變形影響因素的研究

何沐

(中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司， 北京 100120)

我國(guó)是世界上的煤炭大國(guó)，不但年產(chǎn)煤量位居世界第一，而且近距離煤層在我國(guó)賦存范圍非常廣泛，如平頂山、大同、淮北、井陘、西山、烏達(dá)等地均有分布[1]。近距離煤層開(kāi)采多采用煤層間下行開(kāi)采的順序，即由上而下逐層開(kāi)采。在這種條件下，上煤層的開(kāi)采勢(shì)必對(duì)下煤層的開(kāi)采造成影響。

國(guó)內(nèi)外對(duì)近距離煤層的開(kāi)采已經(jīng)進(jìn)行了很多方面的研究。索永錄等通過(guò)數(shù)值模擬的手段結(jié)合壓力傳遞理論，認(rèn)為下煤層開(kāi)采時(shí)回采巷道合理布置應(yīng)采取內(nèi)錯(cuò)式[2]。張煒等引入了應(yīng)力場(chǎng)變化率系數(shù)這一定義并結(jié)合由均布載荷計(jì)算得出的錯(cuò)距和底板破壞情況確定采用內(nèi)錯(cuò)距離為7.5 m的巷道布置[3]?？椎轮械冉Y(jié)合了主應(yīng)力改變量和數(shù)值模擬主應(yīng)力分布特征確定了下煤層的回采巷道布置在距煤柱水平距離 14 m處[4]。以木瓜煤礦近距離煤層下煤層開(kāi)采為工程實(shí)例，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)近距離煤層下煤層回采巷道的變形量進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，研究條件變化時(shí)區(qū)段平巷的頂?shù)装逡约皟蓭臀灰?，為巷道的科學(xué)布置與有效支護(hù)、保證礦井的安全生產(chǎn)提供保障。

1 工程概況

木瓜煤礦井田范圍內(nèi)煤層傾角較小且無(wú)明顯起伏變化，可視為水平煤層。井田范圍內(nèi)無(wú)大的斷層、褶曲分布。主要開(kāi)采煤層為 9煤、10 煤。9煤目前已經(jīng)開(kāi)采完結(jié)，開(kāi)始準(zhǔn)備開(kāi)采 10煤層。10煤層埋深約200 m。10煤層為較穩(wěn)定煤層，厚度 0.89 m～3.84 m，平均厚3 m，煤層厚度變化無(wú)顯著規(guī)律、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

10煤層回采巷道采用雙巷布置，巷道斷面為矩形，斷面尺寸為3.5 m×3 m。

2 區(qū)段平巷巷道變形影響因素研究

近距離下煤層回采巷道布置有內(nèi)錯(cuò)、外錯(cuò)、重疊3種形式，巷道布置形式與錯(cuò)距的不同直接影響巷道所受上煤層區(qū)段煤柱集中應(yīng)力的大小，巷道的變形特征也各不相同；此外，煤柱的寬度也影響著巷道所受應(yīng)力的大小，因此，設(shè)計(jì)兩組方案進(jìn)行數(shù)值模擬，以研究巷道布置錯(cuò)距與上煤層區(qū)段煤柱的寬度分別對(duì)巷道變形的影響。試驗(yàn)方案及數(shù)據(jù)見(jiàn)表1、表2。

表1 試驗(yàn)方案一

2.1 數(shù)值模型的建立

2.1.1 模型尺寸及參數(shù)的確定

根據(jù)煤層賦存條件及圍巖種類特征，建立一個(gè)50 m×50 m×40 m的模型。由于巷道變形為平面應(yīng)變問(wèn)題，可將模型沿x方向劃分為10個(gè)格，將模型沿y方向劃分為50個(gè)格，沿z軸劃分為40個(gè)格。建立的模型見(jiàn)圖1，模型的本構(gòu)關(guān)系為摩爾庫(kù)倫模型，各力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3和表4。

表2 試驗(yàn)方案二

圖1 數(shù)值模擬網(wǎng)格劃分模型

表3 計(jì)算模型中各巖層與煤層的厚度

表4 各地層力學(xué)參數(shù)

2.1.2 邊界條件的模擬

模型下部邊界為位移邊界條件，在下邊界上對(duì)x、y、z方向的位移進(jìn)行約束。

模型左右及前后邊界為位移邊界條件，分別在左右方向上約束x方向的位移，在前后方向上約束y方向的位移。

模型上部邊界為應(yīng)力邊界條件，根據(jù)煤層的埋深數(shù)據(jù)，可計(jì)算施加在上邊界上的均布載荷為q=γΗ=-5 MPa。

2.1.3 地應(yīng)力平衡

模型的邊界條件及初始化條件設(shè)置好以后，對(duì)模型進(jìn)行運(yùn)算，使地應(yīng)力作用下模型達(dá)到平衡，初步平衡后應(yīng)力分布見(jiàn)圖2。

圖2 計(jì)算模型初始應(yīng)力分布

2.1.4 上煤層開(kāi)采

地應(yīng)力初步平衡后，對(duì)上煤層進(jìn)行開(kāi)挖，將模型的上煤層部分定義為空模型，僅保留15 m寬的煤體作為煤柱，再次對(duì)模型運(yùn)算，運(yùn)算后得到上煤層開(kāi)采后煤柱下應(yīng)力分布，見(jiàn)圖3。

圖3 上煤層開(kāi)采后應(yīng)力分布

2.2 巷道布置錯(cuò)距對(duì)巷道變形的影響

近距離上煤層開(kāi)采后，上覆巖層的壓力會(huì)通過(guò)煤柱向下煤層傳遞，煤柱下方會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。在下煤層回采巷道相對(duì)于上煤層內(nèi)錯(cuò)布置的情況下，隨著錯(cuò)距的不同，下煤層的回采巷道所承受的集中應(yīng)力顯然不同，因此使回采巷道的錯(cuò)距變化，可以觀察出巷道變形隨錯(cuò)距變化的規(guī)律。因此分別使錯(cuò)距為-2 m，0 m，2 m，4 m，6 m，8 m，10 m，調(diào)出巷道周圍位移分布等值線圖，并且在巷道周邊布置測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)頂?shù)装宓膠方向位移與兩幫的y方向位移，據(jù)此觀察巷道變形的大小及巷道周邊位移的分布規(guī)律。

上煤層開(kāi)挖平衡后，在下煤層層位內(nèi)按照巷道內(nèi)錯(cuò)距為-2 m，0 m，2 m，4 m，6 m，8 m，10 m開(kāi)挖區(qū)段運(yùn)輸平巷與區(qū)段回風(fēng)平巷，沿開(kāi)挖的巷道頂板、底板、兩幫中點(diǎn)布置4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，兩幫觀測(cè)y方向位移即水平位移，頂?shù)装灞O(jiān)測(cè)z方向位移即垂直位移。

根據(jù)監(jiān)測(cè)的各點(diǎn)位移，作出巷道周邊位移隨巷道布置錯(cuò)距的變化曲線見(jiàn)圖4。

根據(jù)圖4，當(dāng)巷道錯(cuò)距為-2 m時(shí)，雖然兩幫移近量相對(duì)錯(cuò)距為0 m時(shí)較小，但巷道的頂?shù)装逡平糠浅４?，巷道維護(hù)非常困難，因此巷道布置不應(yīng)選擇外錯(cuò)式；當(dāng)巷道布置內(nèi)錯(cuò)距離為0時(shí)，巷道左側(cè)緊鄰煤柱邊緣，處于煤柱下方的高應(yīng)力區(qū)，此時(shí)，頂板變形量、底鼓以及兩幫變形均比較大。當(dāng)巷道布置內(nèi)錯(cuò)距離為4 m時(shí)，頂板下沉量和底鼓現(xiàn)象明顯，在下煤層回采巷道布置時(shí)，應(yīng)避免將巷道布置在此處。

圖4 巷道位移隨布置錯(cuò)距的變化

當(dāng)錯(cuò)距大于4 m，隨著錯(cuò)距的增加，頂?shù)装逡平颗c兩幫移近量均逐步減小，但隨著錯(cuò)距增大，必將引起下煤層區(qū)段煤柱尺寸增加，降低采區(qū)采出率，造成資源的浪費(fèi)。因此，綜合考慮巷道變形與采區(qū)采出率，合理的錯(cuò)距應(yīng)不小于6 m，可以取為6 m。

2.3 區(qū)段煤柱寬度對(duì)巷道變形的影響

區(qū)段煤柱的寬度影響著下煤層受其集中應(yīng)力影響的范圍以及強(qiáng)度，因此煤柱的寬度將會(huì)影響下煤層回采巷道的變形與圍巖的破壞過(guò)程。

根據(jù)對(duì)巷道內(nèi)錯(cuò)布置的錯(cuò)距模擬，將兩層煤回采巷道之間的錯(cuò)距選定為6 m。

按照不同的方式進(jìn)行開(kāi)挖，使得上煤層遺留的煤柱寬度分別為10 m，12 m，14 m，16 m，18 m，20 m，開(kāi)挖后分別運(yùn)算使模型平衡，再進(jìn)行下煤層兩條區(qū)段平巷的開(kāi)挖，再次使模型平衡，在此過(guò)程中，監(jiān)測(cè)矩形巷道四條邊中點(diǎn)的位移，見(jiàn)表5，作出各點(diǎn)位移隨煤柱寬度的變化曲線見(jiàn)圖5。

表5 不同煤柱寬度下巷道各點(diǎn)位移

圖5 不同煤柱寬度下各點(diǎn)位移量

在煤柱寬度分別為10 m，12 m，14 m，16 m，18 m，20 m時(shí)，應(yīng)力分布依次見(jiàn)圖6中（a）～（f）。

圖6 不同煤柱寬度下的應(yīng)力分布

由圖6可以看出，煤柱寬度越大，煤柱集中應(yīng)力影響的范圍越大，但煤柱寬度增大的同時(shí)也造成了煤柱下方應(yīng)力集中系數(shù)的降低，使巷道頂?shù)装逡平颗c兩幫移近量隨著煤柱寬度的增加而減小，這與監(jiān)測(cè)的巷道周邊各點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)相符合。此外，煤柱中部應(yīng)力等值線出現(xiàn)凹陷，這表明煤柱寬度大于工作面?zhèn)认蛑螇毫Φ挠绊懢嚯x但小于兩倍影響距離，且隨著煤柱寬度的增加，凹陷的范圍不斷增加，從而使煤柱中部處于較低應(yīng)力的狀態(tài)，煤柱中部存在一定寬度的彈性區(qū)，煤柱保持穩(wěn)定的條件時(shí)彈性區(qū)的范圍不應(yīng)小于煤柱高度的2倍[5-7]。因此，可以確定區(qū)段煤柱的寬度應(yīng)不小于16 m。

3 結(jié)論

（1）近距離煤層回采巷道選擇內(nèi)錯(cuò)式布置時(shí)，隨著錯(cuò)距的增加，巷道兩幫移近量越來(lái)越小，但頂?shù)装逡平吭阱e(cuò)距為4 m時(shí)突然增大，因此應(yīng)避免將巷道以4 m的錯(cuò)距布置，合理的布置錯(cuò)距應(yīng)不小于6 m。

（2）當(dāng)巷道布置的錯(cuò)距一定時(shí)，增加上煤層留設(shè)煤柱寬度，由于應(yīng)力集中系數(shù)的下降，使得巷道頂?shù)装逡平亢拖锏纼蓭鸵平慷紲p小，巷道穩(wěn)定性更好。

（3）區(qū)段煤柱的留設(shè)寬度應(yīng)保證煤柱內(nèi)存在一定寬度的彈性區(qū)，即保證煤柱內(nèi)部處于較低應(yīng)力狀態(tài)以保證內(nèi)部不發(fā)生塑性破壞，故可確定區(qū)段煤柱的寬度應(yīng)不小于16 m。