趙曉東

(山西新景礦煤業(yè)有限公司, 山西 陽泉市 045000)

近距離煤層由于其煤層間距小,導(dǎo)致諸多巷道布置及支護(hù)問題。對近距離煤層巷道圍巖應(yīng)力變化進(jìn)行研究,可以有效制定合理的巷道布置及支護(hù)方案,對井下安全生產(chǎn)具有重要意義。

本文以爐峪口煤礦為研究背景,其8＃煤與9＃煤屬于近距離煤層,煤層之間的平均距離為7.5 m,8＃煤層的回采對9＃煤層影響較大,其中,8＃煤采空區(qū)下方9＃煤層中的巷道穩(wěn)定性控制問題嚴(yán)重制約著9＃煤層的回采。因此,亟需研究極近距離煤層采區(qū)及順槽圍巖應(yīng)力的分布規(guī)律,為下層煤回采巷道的位置選擇和圍巖的支護(hù)設(shè)計(jì)提供科學(xué)合理的理論根據(jù)。

1 工程背景

由于爐峪口礦8＃煤層與9＃煤層為極近距離煤層,所以8＃煤回采對巖層的擾動(dòng)將會(huì)影響到9＃煤層的巷道支護(hù)與回采工作。9＃煤層一采區(qū)回風(fēng)、膠帶和軌道下山受上覆近距離8＃煤層采空區(qū)影響,所以對這3條巷道所處位置的應(yīng)力分布進(jìn)行研究,可為以后9＃煤層中的巷道布置及支護(hù)提供參考。工作面9＃煤層為全區(qū)穩(wěn)定的可采煤層,屬于石炭二疊系上統(tǒng)太原組,煤層結(jié)構(gòu)較為簡單,煤層厚度在0.28～3.24 m之間,平均厚度為1.48 m。煤層比較穩(wěn)定,有0～3層夾矸,煤層結(jié)構(gòu)比較簡單。頂板多為砂質(zhì)泥巖,其次為碳質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂巖、細(xì)粒砂巖或中粒砂巖,底板為泥巖、炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)粒砂巖或中粒砂巖。巷道采用矩形斷面,開挖毛斷面為寬4.3 m,高3.05 m,掘進(jìn)毛斷面面積13.115 m2,凈斷面凈寬為4 m,凈高2.8 m,凈斷面面積為11.2 m2。噴漿厚度150 mm。

2 煤柱下方支撐壓力分布規(guī)律研究

(1)當(dāng)煤柱寬度非常大時(shí),其兩邊受到支承壓力的作用,中間部分仍處于原巖應(yīng)力狀態(tài)。

(2)當(dāng)煤柱的寬度逐漸減小,但仍相對較大時(shí),即使煤柱兩側(cè)的支承壓力相互疊加,中部形成比較大的彈性區(qū),但支承壓力與兩側(cè)相比較小,應(yīng)力表現(xiàn)為馬鞍型狀態(tài)分布。

(3)當(dāng)煤柱的寬度逐漸降低到某一值時(shí),應(yīng)力增高系數(shù)也伴隨增加,煤柱應(yīng)力仍然由兩側(cè)的支承壓力組合而成,此時(shí),應(yīng)力表現(xiàn)為鐘形狀態(tài)分布。

煤柱兩側(cè)采空區(qū)的支撐壓力分布如圖1所示。

3 下層煤應(yīng)力分布數(shù)值模擬分析

煤礦巷道的地壓是由于巷道周邊巖體受到擾動(dòng)而產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng),使用FLAC3D大型計(jì)算軟件可以模擬煤礦巷道周圍巖層應(yīng)力分布情況。為了適應(yīng)現(xiàn)場的實(shí)際情況和進(jìn)一步掌握極近距離煤層下層煤應(yīng)力分布特征,采用數(shù)值模擬對這一地質(zhì)特征下聯(lián)合開釆進(jìn)行研究說明,以彌補(bǔ)理論分析的局限性。

3.1 圍巖地質(zhì)條件

就9＃煤層所處的圍巖地質(zhì)特征,計(jì)算模型所選取的巖層地質(zhì)條件如表1所示(節(jié)理、裂隙對參數(shù)的影響分別考慮0.7和0.8的龜裂系數(shù))。

圖1 煤柱兩側(cè)采空區(qū)的支承壓力分布

表1 8＃、9＃煤層及其頂?shù)装鍘r層的物理力學(xué)參數(shù)

3.2 數(shù)值模擬過程

(1)模型建立。模型長×寬×高＝192 m×2 m×53.5 m,如圖2所示。采用平面模擬9＃煤層：底板巖層厚度為15 m,煤層自身厚度為1.5 m;8＃煤層：頂板厚度為20 m,自身厚度為20 m,工作面推進(jìn)80 m;兩煤層間距為7.5 m。巷道分別位于9＃煤層的不同位置處。4個(gè)側(cè)面全都是位移邊界,用來限制水平移動(dòng),底部是固定邊界。整個(gè)模型一共分為89000個(gè)單元,120000個(gè)節(jié)點(diǎn),網(wǎng)格大小變化處用Attach語句連接,上覆巖層重力,按均布荷載施加在模型的上部邊界。

圖2 計(jì)算模型

(2)采空區(qū)的模擬。采空區(qū)可以粗略的看成彈性體支撐。其物理參數(shù)如表2所示。

3.3 9＃煤層中應(yīng)力分布特征

由圖3可以看出,8＃煤層回采完畢后,采空區(qū)下方垂直應(yīng)力減小,形成了垂直應(yīng)力釋放區(qū),該區(qū)域范圍內(nèi)的垂直應(yīng)力小于原巖應(yīng)力,而在煤壁中垂直應(yīng)力形成了劇烈的應(yīng)力集中區(qū)域,垂直應(yīng)力的峰值達(dá)到了26.8 MPa,嚴(yán)重影響了采空區(qū)底板的應(yīng)力分布。遠(yuǎn)離采空區(qū)煤壁時(shí),應(yīng)力集中逐漸消失,并且降低到原巖應(yīng)力狀態(tài)。

表2 采空區(qū)已冒落矸石的物理力學(xué)參數(shù)

圖3 采空區(qū)下方垂直應(yīng)力分布云圖

從圖4可以看出,在8＃煤回采完畢后,在右上方圍巖中,水平應(yīng)力產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象,水平應(yīng)力的峰值達(dá)到22.4 MPa,但水平應(yīng)力重分布對采空區(qū)底板基本沒有影響,其值的大小等于原巖應(yīng)力。

圖4 采空區(qū)圍巖水平應(yīng)力分布云圖

由圖5可得出,8＃煤層回采完畢后,采空區(qū)肩角及底角圍巖中形成了強(qiáng)烈的應(yīng)力集中現(xiàn)象,肩角處剪切應(yīng)力的峰值為11 MPa,底角處剪切應(yīng)力的峰值為4.1 MPa,肩角的剪切應(yīng)力集中程度大于底角處的剪切應(yīng)力集中程度。

8＃煤回采工作結(jié)束后,在9＃煤層中布置測線監(jiān)測9＃煤層的應(yīng)力分布(見圖6)。圖6中0 m處為上層煤煤壁的位置,5.4 m表示膠帶下山巷道的中心所在位置。

圖5 采空區(qū)圍巖剪切應(yīng)力分布云圖

圖6 上層8＃煤回采結(jié)束后9＃煤層中應(yīng)力分布曲線

4 結(jié) 論

以爐峪口煤礦8＃、9＃近距離煤層為研究背景,利用理論分析及數(shù)值模擬方法,綜合分析極近距離煤層采區(qū)及順槽圍巖應(yīng)力的分布規(guī)律。主要結(jié)論如下：

(1)在距采空區(qū)煤壁向?qū)嶓w煤方向20 m以外應(yīng)力恢復(fù)到正常狀態(tài),為原巖應(yīng)力區(qū)。8＃煤采空區(qū)煤壁對9＃煤層25 m左右的范圍內(nèi)有很強(qiáng)烈的影響,向煤柱下方20 m,向采空區(qū)下方5 m。

(2)對于9＃煤膠帶下山巷道,其中心距采空區(qū)煤壁正下方5.4 m,該范圍位于強(qiáng)烈影響區(qū),特別是垂直應(yīng)力產(chǎn)生了急劇的升高,增加了9＃煤膠帶下山巷道的支護(hù)難度。