淺埋近距離煤層回采巷道圍巖控制研究

李志強

（西山煤電集團有限責任公司遼源礦，山西 太原 030000）

引言

在開采淺埋近距離煤層時，由于下煤層巷道圍巖穩(wěn)定性較差，使得其維護工作極其復雜。在進行下煤層開采時由于采用留煤柱開采的方式，使得在留煤柱位置的下煤層出現(xiàn)應力集中，造成下煤層工作面發(fā)生較大的位移變形，因此研究近距離煤柱下巷道圍巖的變形是十分重要的，此前王襄禹、張科學[1]針對近距離超寬煤柱下垂直應力的分布、頂板的結構變化等進行分析，得到了超寬煤柱對下煤層正常開采的影響及下煤層支架工作阻力的變化情況，魏永前、宛志紅[2]針對極近距離下煤層工作面冒頂及支架壓死的問題，通過理論計算及數(shù)值模擬分析，給出了支架的選型情況，為液壓支架的選擇提供參考。本文針對遼源礦8103 工作面巷道圍巖變形嚴重問題，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對近距離煤柱下煤層巷道圍巖的變形進行分析，為下巷道圍巖的支護提供一定的借鑒。

1 礦井概況

遼源礦位于山西古交馬蘭鎮(zhèn)南家山村附近，井田面積1.98 平方公里，主要開采太原組2#、8#、9#煤層，設計能力60 萬t/a。8#煤層的平均厚度為4.5 m，9#煤層平均厚度為2.9 m，兩煤層間的距離為6 m，屬于近距離煤層，在實際生產(chǎn)過程中選定下行式開采，上煤層巷道預留20 m 護巷煤柱，2#煤層巷道選定錨桿錨索+金屬網(wǎng)的聯(lián)合支護方案，但由于巷道的應力屬于非對稱分布，所以造成巷道兩幫的移近量較大，幫部的變形嚴重。8103 工作面現(xiàn)主要開采太原組8#煤層，受圍巖應力影響，巷道變形嚴重。

2 巷道圍巖應力分析

在上部煤層開采完畢后，遺留的煤柱使得巷道圍巖應力重新分布，在進行下部煤層巷道開采時出現(xiàn)圍巖應力的變化，此現(xiàn)象在上部煤層開采時尤為明顯，此時由于上煤層回采及下煤層掘進使得巷道出現(xiàn)應力的疊加，嚴重影響著下煤層巷道的穩(wěn)定性。一般來說下煤層巷道的圍巖變形及破壞主要是受到巷道圍巖性質(zhì)、上工作面回采擾動及支護方案影響，因此本文利用FLAC3D 數(shù)值模擬軟件對遼源礦8103 工作面巷道進行建模分析，從而得出下煤層巷道圍巖的應力及變形情況。

首先進行模型的建立，在進行模型建立時首先需要考慮8103 工作面實際的地質(zhì)情況，選定2#、3#煤層進行分析，建立模型的長×寬×高分別為240 m×200 m×68.4 m，完成模型尺寸建立后對模型進行網(wǎng)格劃分，在進行網(wǎng)格劃分時將巷道附近網(wǎng)格進行細化分，在模型的邊界采用粗劃分，這樣既能保障模擬的計算精度，同時也能夠較為及時地完成模擬計算，完成網(wǎng)格劃分共計174 900 個單元和184 518 個節(jié)點，完成網(wǎng)格劃分后對模型力學參數(shù)進行設定，在模型的上端部施加均布載荷9.2MPa，同時根據(jù)實際地質(zhì)資料對巖層各層的力學屬性進行設置[3]。數(shù)值模擬地計算模型的示意圖如1 所示。

圖1 數(shù)值模型示意圖

完成模型建立后進行模擬計算，首先對上煤層的底板應力分布情況進行分析，給出上煤層工作面底板應力隨距離的變化曲線如第126 頁圖2 所示。

圖2 底板應力隨距離的變化曲線

從圖2 可以看出，上煤層工作面進行開采時，此時的支撐壓力經(jīng)過煤層逐步傳遞至巷道的底板，此時沿著煤層的方向，巷道底板整體呈現(xiàn)出3 個階段，其中當沿煤層距離為0 m～35 m 和99 m～180 m 時，此時的巷道底板處于原巖應力區(qū)，在此區(qū)段內(nèi)底板的應力整體不會發(fā)生較大的變化，當沿煤層距離為35 m～79 m 時，此時的巷道底板處于應力降低區(qū)，在此區(qū)段內(nèi)底板的應力值明顯低于原巖應力，隨著煤層走向距離的增大，巷道底板的圍巖應力呈現(xiàn)逐步降低的趨勢，當沿煤層距離為79 m～99 m 時，此時巷道處于應力的升高區(qū)，在此區(qū)段內(nèi)巷道底板的應力明顯升高，底板的最大應力值為19.2 MPa，出現(xiàn)應力集中的位置為距離交界處10 m 即煤層走向89 m 的位置，在此位置應力集中系數(shù)為2.4。根據(jù)分析可以看出，在進行下煤層巷道布置時，盡量避開應力升高區(qū)，同時當巷道布置在原巖應力區(qū)時，此時會造成一定的煤柱浪費，所以在進行下煤層巷道布置時，應當盡量布置在應力降低區(qū)[4]。

3 巷道變形分析

利用數(shù)值模擬軟件對下煤層巷道圍巖變形進行分析，給出巷道圍巖變形隨工作面距離變化曲線，如圖3 所示。

圖3 巷道圍巖變形量曲線

從圖3 可以看出，隨著距離工作面距離的增大，此時的巷道頂板下沉量及底板的底鼓量呈現(xiàn)逐步增大的趨勢，當在工作面前方60 m 時此時的頂板下沉量及底板的底鼓量均為最小值，最小值分別為82 mm和108 mm，而在工作面后100 m 的位置，巷道頂板下沉量及底板的底鼓量均為最大值，最大值為734 mm和740 mm，而分析兩幫的變形量可以看出，兩幫的變形量隨距工作面距離呈現(xiàn)的趨勢相同，均為逐步增大，在工作面前方60 m 時，此時的兩幫移近量最小為41 mm，而在工作面后100 m 的位置兩幫移近量出現(xiàn)最大值為67 mm，可以看出，頂板及底板的變形量較大，而巷道兩幫位置的變形量相對較小，所以在進行支護設計時應當對頂板及底板進行加強支護。

在8103 工作面原有的支護方式由于受到上工作面回采和區(qū)段煤柱的應力集中的雙重影響，使得巷道圍巖變形嚴重，同時由于原巷道支護方法較為單一，使得巷道的變形未得到有效的控制，錨桿、錨索的預應力不足也同樣是巷道圍巖變形大的主要原因，所以為了降低巷道圍巖變形，所以對原有支護方案進行補強[5]。

分別制定3 種方案，方案一為在原有錨索支護的基礎上補強4 根錨索，形成2×2×2 結構，錨索的間排距為2.4 m×0.8 m，同時采用一梁二柱進行輔助加強；方案二為在原有錨索支護的基礎上加固6 根錨索，形成3×3×3 結構，錨索的間排距為1.6 m×0.8 m，同時采用一梁二柱進行輔助加強；方案三為在原有錨索支護的基礎上加固5 根錨索，形成3×2×3 結構，錨索的間排距為1.6 m×0.8 m 和2.4 m×0.8 m 兩種，同樣采用一梁二柱進行輔助加強。利用模擬研究對3 種方案下的巷道變形量進行分析，給出3 種情況下的圍巖變形情況，如圖4 所示。

圖4 支護方案對比圖

從圖4 可以看出，當采用方案一時，此時的巷道頂板由于采用了錨索補強支護，使得巷道頂板的下沉量得到了有效的控制，此時巷道頂板最大下沉量為241 mm，巷道的底鼓量為742 mm，底鼓量較大，而兩幫的移近量為161.1 mm；方案二的巷道頂板、底板及兩幫的變形量均小于方案一，具體數(shù)值分別為160 mm、500 mm、64.7 mm，較方案一分別減小了46.1%、47.5%和23.3%，方案三與方案二類似，巷道變形量均有了大幅度的降低，巷道頂板、底板及兩幫的變形量分別為165 mm、503 mm、73 mm。從以上分析可以看出，當選定方案三時，此時的巷道支護成本有了一定的降低，且支護效果為三種支護方案中的最佳，所以最佳支護方案為在原有錨索支護的基礎上加固5 根錨索，形成3×2×3 結構，錨索的間排距為1.6 m×0.8 m 和2.4 m×0.8 m 兩種，同時采用一梁二柱進行輔助加強。

4 結論

1）遼源礦8103 工作面上煤層工作面進行開采時，支撐壓力經(jīng)過煤層逐步傳遞至巷道的底板，此時沿著煤層的方向，巷道底板整體呈現(xiàn)出三個階段，分別為應力降低區(qū)、應力上升區(qū)和原巖應力區(qū)。

2）通過模擬分析可以看出頂板及底板的變形量較大，兩幫位置的變形量相對較小，所以在進行支護設計時應當對頂板及底板進行加強支護。

3）利用數(shù)值模擬對三種補強支護方案下的圍巖變形量進行分析，確定了在原有錨索支護的基礎上加固5 根錨索，形成3×2×3 結構，錨索的間排距為1.6 m×0.8 m 和2.4 m×0.8 m 兩種，同時采用一梁二柱進行輔助加強的支護方案。