桂 兵 曲延倫 郭現(xiàn)偉 楊 洋 秦 瑞 馬傳永

(兗州煤業(yè)股份有限公司，山東省鄒城市，273500)

我國(guó)近距離煤層群分布范圍廣，其開(kāi)采方法以下行開(kāi)采為主。隨著煤層間距減小，上下煤層間開(kāi)采的相互影響會(huì)逐漸增大，特別是當(dāng)煤層間距較小時(shí)，下部煤層開(kāi)采前上覆巖層的完整性已受上部煤層開(kāi)采破壞影響，其上方采空區(qū)為上部煤層開(kāi)采垮落的矸石，且上部煤層開(kāi)采后殘留的區(qū)段煤柱在底板形成集中應(yīng)力，加之下煤層巷道的采掘引起圍巖應(yīng)力重新分布，極易導(dǎo)致巷道變形大、煤壁片幫、底板底鼓，對(duì)工作面開(kāi)采造成嚴(yán)重影響。

近年來(lái)，諸多專家學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究。朱濤等對(duì)極近距離煤層下煤層頂板結(jié)構(gòu)與控制以及回采巷道礦壓規(guī)律進(jìn)行了研究；朱術(shù)云、孟祥瑞等采用彈性半平面體力學(xué)模型給出了采場(chǎng)底板巖層應(yīng)力的解析解；張華磊等采用附加應(yīng)力計(jì)算方法建立了采場(chǎng)底板應(yīng)力分布的力學(xué)模型及采動(dòng)支承壓力傳播的力學(xué)模型；閆淑緣等研究了深部近距離煤層群下向卸壓開(kāi)采高應(yīng)力演化的特征。基于此，本文采用FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件建立近距離煤層開(kāi)采的三維數(shù)值模型，研究深部開(kāi)采上煤層工作面采動(dòng)應(yīng)力底板傳播規(guī)律，分析上煤層相鄰工作面開(kāi)采前后下煤層巷道圍巖應(yīng)力分布及變形特征，研究成果為深部礦井開(kāi)采和巷道支護(hù)提供理論依據(jù)，對(duì)指導(dǎo)礦井的安全生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程地質(zhì)概況

濟(jì)寧三號(hào)井183下05工作面運(yùn)輸平巷所在煤層為山西組3下煤層，以暗煤為主，亮煤次之，夾有鏡煤及絲炭條帶，內(nèi)生裂隙發(fā)育。煤厚2.30～5.54 m，平均厚度4.20 m，煤層傾角最大7°，平均3°。上方3上煤層厚0～4.1 m，平均厚度2.20 m。北部區(qū)域3上煤層與3下煤層間距13～30 m，平均21.5 m。煤層頂?shù)装迩闆r見(jiàn)表1。

表1 183下05工作面頂?shù)装迩闆r表

運(yùn)輸平巷位于工作面西側(cè)，西側(cè)3上煤層為183上07工作面(開(kāi)拓中)。運(yùn)輸平巷北段位于上煤層183上06(北)采空區(qū)下方，向采空區(qū)內(nèi)錯(cuò)距離為20 m，南段位于183上06(南)工作面(未開(kāi)采)下方。

2 數(shù)值模型的建立和模擬方案

2.1 FLAC3D數(shù)值模型

利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行建模與賦參。模型尺寸為1150 m×600 m×110 m(長(zhǎng)×寬×高)，模型左右前后邊界施加水平約束，使邊界水平位移量為零；底部邊界固定，使底部邊界水平、垂直位移量均為零；采用摩爾—庫(kù)倫模型，三維數(shù)值計(jì)算模型如圖1所示。

2.2 數(shù)值模擬方案

為研究183上煤層工作面開(kāi)采對(duì)下煤層卸壓巷道圍巖應(yīng)力及變形的影響，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開(kāi)采情況，數(shù)值模擬方案分為兩種：第一種，首先回采183上06(北)工作面，模擬分析一側(cè)采空條件下底板垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力分布規(guī)律；然后回采183上07工作面，模擬分析兩側(cè)采空條件下底板垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力分布規(guī)律。第二種，在183上06(北)工作面采空區(qū)下掘進(jìn)183下05工作面運(yùn)輸平巷，模擬分析一側(cè)采空條件下巷道圍巖應(yīng)力分布及變形特征；然后回采183上07工作面，模擬分析兩側(cè)采空條件下巷道圍巖分布及變形特征，綜合對(duì)比分析3上煤層不同開(kāi)采條件對(duì)下煤層巷道圍巖應(yīng)力分布及變形的影響規(guī)律。

圖1 三維數(shù)值模型

3 上煤層采場(chǎng)應(yīng)力分布及底板傳播規(guī)律

3.1 巷道圍巖垂直應(yīng)力分布規(guī)律

上煤層垂直應(yīng)力分布云圖及變化曲線如圖2所示。由圖2可知，隨著183上06(北)工作面開(kāi)采，上覆巖層逐漸發(fā)生垮落，采場(chǎng)應(yīng)力重新分布，在采空區(qū)四周煤體上形成側(cè)向支承壓力。此時(shí)在183上07工作面煤體上產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力峰值為45 MPa，應(yīng)力峰值距離煤壁6 m。隨著應(yīng)力峰值向采空區(qū)轉(zhuǎn)移，支承壓力迅速降低，并在采空區(qū)煤壁邊緣附近，支承壓力降到最小值；隨著向采空區(qū)深部轉(zhuǎn)移，支承壓力又逐漸增大，但低于原巖應(yīng)力。側(cè)向支承壓力又通過(guò)煤體在底板煤巖體內(nèi)傳播，形成底板煤巖體的局部應(yīng)力集中。183上07工作面開(kāi)采后，工作面超前支承壓力與側(cè)向支承壓力在工作面前方靠近采空區(qū)側(cè)產(chǎn)生應(yīng)力疊加，疊加應(yīng)力通過(guò)煤層在底板內(nèi)傳播，造成底板巖層內(nèi)局部應(yīng)力集中。隨著應(yīng)力集中向底板巖層內(nèi)轉(zhuǎn)移，底板應(yīng)力集中程度迅速降低，3上、3下煤層夾層內(nèi)支承壓力迅速降低，應(yīng)力最大值約為40 MPa，距離煤壁5 m，向采空區(qū)轉(zhuǎn)移過(guò)程中，垂直應(yīng)力衰減速度相比上煤層明顯減小。隨著向采空區(qū)轉(zhuǎn)移，3下煤層垂直應(yīng)力衰減速度也進(jìn)一步減小。

圖2 上煤層垂直應(yīng)力分布云圖及變化曲線

3.2 巷道圍巖水平應(yīng)力分布規(guī)律

上煤層水平應(yīng)力分布云圖及變化曲線如圖3所示。由圖3可知，183上06(北)工作面開(kāi)采后，在垂直應(yīng)力作用下，183上07工作面煤體內(nèi)同樣出現(xiàn)水平應(yīng)力集中現(xiàn)象，但進(jìn)入采空區(qū)后，由于采空區(qū)矸石堆積，不傳遞水平作用力，水平應(yīng)力完全卸壓狀態(tài)，隨著采空區(qū)深部移動(dòng)，水平應(yīng)力在壓實(shí)區(qū)又有所增加，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原巖應(yīng)力(側(cè)壓系數(shù)0.74，水平原巖應(yīng)力14.28 MPa)。隨著向底板深部轉(zhuǎn)移，在3上和3下煤層夾層內(nèi)，水平應(yīng)力未出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，但是隨著向183上06(北)采空區(qū)移動(dòng)，水平應(yīng)力先降低后增大，在采空區(qū)下方未出現(xiàn)水平應(yīng)力卸壓，其值基本上和水平原巖應(yīng)力相等。3下煤層的水平應(yīng)力相比夾層內(nèi)有所增大，隨著向采空區(qū)轉(zhuǎn)移，雖然出現(xiàn)減小和增大的波動(dòng)，但是波動(dòng)幅度比較小，最大值為14.8 MPa，距離煤壁約10 m。在183上06(北)采空區(qū)下方，3下煤層同樣與水平原巖應(yīng)力相等。3上煤層兩側(cè)采空后，3上煤層內(nèi)的水平應(yīng)力最大值明顯增大，最大值約為30 MPa，進(jìn)入183上06(北)采空區(qū)內(nèi)，水平應(yīng)力出現(xiàn)明顯的卸壓，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原巖應(yīng)力。隨著向底板深部轉(zhuǎn)移，水平應(yīng)力明顯減小，同樣在采空區(qū)內(nèi)水平應(yīng)力未出現(xiàn)卸壓現(xiàn)象，并且183上06(北)采空區(qū)下方3下煤層內(nèi)水平應(yīng)力為15 MPa，高于原巖應(yīng)力，增大范圍相對(duì)于一側(cè)采空時(shí)也略增。

圖3 上煤層水平應(yīng)力分布云圖及變化曲線

4 下煤層回采巷道圍巖應(yīng)力分布及變形規(guī)律

4.1 巷道圍巖垂直應(yīng)力分布規(guī)律

下煤層巷道圍巖垂直應(yīng)力分布云圖及變化曲線如圖4所示。由圖4可以看出，183下05工作面運(yùn)輸平巷開(kāi)挖后，在巷道兩側(cè)煤體內(nèi)形成應(yīng)力集中，巷道靠近183上07工作面幫側(cè)支承壓力峰值大于另外一幫，最大支承壓力為27 MPa，且受183上07工作面底板傳播應(yīng)力影響嚴(yán)重。巷道采空區(qū)側(cè)幫部側(cè)向支承壓力明顯降低，最大支承壓力為22 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)僅1.14，基本上不受183上07工作面底板傳播應(yīng)力的影響。

183上07工作面開(kāi)采后，3上煤層開(kāi)采范圍增大，上覆巖層充分垮落，183下05工作面運(yùn)輸平巷基本位于傾向采空區(qū)中部，上覆垮落巖層已經(jīng)壓實(shí)，巷道圍巖處于原巖應(yīng)力狀態(tài)，埋深大，因此兩幫應(yīng)力集中程度高。此時(shí)，巷道靠近3上07工作面一側(cè)最大支承壓力為32 MPa，183上06(北)采空區(qū)側(cè)幫部側(cè)最大支承壓力為30 MPa，巷道幫部應(yīng)力集中系數(shù)為1.6，明顯大于一側(cè)采空時(shí)巷道兩幫的垂直應(yīng)力。

4.2 巷道圍巖水平應(yīng)力分布規(guī)律

下煤層巷道圍巖水平應(yīng)力分布云圖及變化曲線如圖5所示。由圖5可以看出，巷道開(kāi)掘后，圍巖水平應(yīng)力重新分布，和開(kāi)掘前水平應(yīng)力分布明顯不同，在巷道頂板和兩側(cè)煤體內(nèi)水平應(yīng)力集中現(xiàn)象更加明顯。由于巷道頂板失去支撐，頂板出現(xiàn)下沉，在183上07工作面底板水平應(yīng)力作用下加劇下沉，巖層內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，而巷道兩幫由于圍巖采動(dòng)應(yīng)力的作用，煤體間產(chǎn)生水平擠壓現(xiàn)象。183上07工作面?zhèn)认锏缼筒克綉?yīng)力最大值為15 MPa，采空區(qū)側(cè)幫部水平應(yīng)力最大值為14.6 MPa，巷道兩幫水平應(yīng)力集中最大值相差較小，183上07工作面?zhèn)认锏缼筒克綉?yīng)力略大于采空區(qū)側(cè)。183上07工作面開(kāi)采后，運(yùn)輸平巷位于采空區(qū)壓實(shí)區(qū)下方，巷道上方兩側(cè)均為采空區(qū)，因此在巷道兩幫形成基本對(duì)稱的水平應(yīng)力集中。巷道兩幫水平應(yīng)力最大值相等，均為15.6 MPa。

圖4 下煤層巷道圍巖垂直應(yīng)力分布云圖及變化曲線

圖5 下煤層巷道圍巖水平應(yīng)力分布云圖及變化曲線

4.3 巷道圍巖變形規(guī)律

下煤層巷道圍巖位移變化云圖如圖6所示。由圖6可以看出，巷道開(kāi)掘后，由于183上07工作面?zhèn)却怪睉?yīng)力明顯大于巷道采空區(qū)側(cè)幫部，造成工作面?zhèn)葞筒棵后w破壞嚴(yán)重，變形位移量大。183上07工作面?zhèn)绕较飵筒孔畲笞冃挝灰茷?77 mm，采空區(qū)側(cè)幫部最大變形位移為348 mm，183上07工作面?zhèn)葞筒课灰屏棵黠@大于采空區(qū)側(cè)幫部。巷道沿底板掘進(jìn)，頂板為煤層，頂板下沉量大。運(yùn)輸平巷道頂板最大下沉量為131 mm，底板底鼓量為84 mm，頂板下沉量大于底板底鼓量。183上07工作面采空區(qū)側(cè)巷道幫部最大變形位移為437 mm，與一側(cè)采空相比，183上07工作面采空區(qū)側(cè)幫部增加了32%。183上06(北)采空區(qū)側(cè)幫部最大變形位移為322 mm，183上06(北)采空區(qū)側(cè)幫部?jī)H增加了8%。巷道頂板最大下沉量為202 mm，底板底鼓量為138 mm，與一側(cè)采空相比，頂板下沉量和巷道底鼓量均明顯增大，主要是由于采空區(qū)上覆巖層垮落壓實(shí)，巷道圍巖處于原巖應(yīng)力狀態(tài)水平應(yīng)力集中成度高。

圖6 下煤層巷道圍巖位移變化云圖

5 結(jié)論

(1)上煤層一側(cè)采空時(shí)，在采空區(qū)周圍煤體上產(chǎn)生側(cè)向支承壓力，側(cè)向支承壓力通過(guò)煤體傳遞到底板巖層內(nèi)，引起底板應(yīng)力的重新分布，在局部區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。183上07工作面開(kāi)采之后，工作面前方將產(chǎn)生超前支承壓力，超前支承壓力與183上06(北)采空區(qū)側(cè)向支承壓力在183上07工作面前方煤體靠近采空區(qū)側(cè)產(chǎn)生應(yīng)力疊加，疊加應(yīng)力通過(guò)煤體傳遞到底板巖層內(nèi)，上煤層底板中應(yīng)力影響范圍增大。

(2)上煤層一側(cè)采空時(shí)，膠順巷道圍巖應(yīng)力較低，基本不受底板應(yīng)力傳播影響。但由于水平應(yīng)力大，在水平方向上對(duì)巷道產(chǎn)生擠壓，導(dǎo)致底鼓量增加，頂板下沉量小。當(dāng)上煤層工作面兩側(cè)采空后，受3上07工作面開(kāi)采影響，下煤層回采巷道頂板應(yīng)力集中程度增大，導(dǎo)致兩幫變形量、頂板下沉量和底板底鼓量增大。

(3)通過(guò)對(duì)比分析，上煤層兩側(cè)采空后，相對(duì)于一側(cè)采空，垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力增大，應(yīng)力通過(guò)煤層傳播到底板巖層中，導(dǎo)致下煤層巷道的頂板下沉量和底板底鼓量增大，兩幫變形量增大。