梁曉青

（山西呂梁離石西山晉邦德煤業(yè)有限公司，山西 呂梁 033000）

引言

隨著礦井開采年限的增加，煤層開采逐步向著難開采煤層移動。近距離煤層在我國分布較廣，由于下煤層開采受到上部煤層的制約，所以造成下煤層開采較為復雜，同時，由于上部煤層開采擾動使得下煤層巷道圍巖變形較為嚴重，所以解決近距離煤層下煤層開采巷道變形成為了近距離煤層開采重要的課題。此前，李慶墅[1]分析了近距離煤層開采覆巖運移特征，給出了一種全新的控制覆巖運移的方法，不僅能夠解決現(xiàn)有煤層開采順槽內(nèi)錯、外錯布置的缺點，同時有效解決了下煤層開采巷道變形嚴重的問題。董興迎[2]采用研究近距離煤層群采空區(qū)下煤層開采礦壓規(guī)律通過理論分析對下煤層工作面初次來壓、周期來壓步距等進行分析，為近距離煤層采空區(qū)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究提供一定參考。本文以晉邦得礦為研究背景，通過對近距離煤層下煤層巷道穩(wěn)定性進行研究，為近距離煤層開采提供借鑒。

1 礦井概況及模型建立

晉邦德煤礦位于呂梁市離石區(qū)西屬巴鎮(zhèn)，井田面積13.85 km2，主要開采3#、4#煤層，井田面積9.011 km2，生產(chǎn)規(guī)模1.20 Mt/a。正在開采14207 工作面，兩側工作面均已完成開采，完成14207 工作面開采后進入14209 工作面，由于14209 工作面受到上煤層回采的影響，巷道變形較大，為了降低巷道變形，需要對巷道圍巖的變形進行研究，為后續(xù)的支護設計提供一定的參考。

在完成上部煤層開采后，下煤層巷道的圍巖應力重新分布，當上部煤層進行回采后，此時巷道的底板應力出現(xiàn)變化使得下煤層巷道頂板處于應力疊加區(qū)域，造成下煤層巷道頂板變形嚴重。為了研究下煤層巷道圍巖變形情況，本文選定FLAC3D 數(shù)值模擬軟件對圍巖礦壓現(xiàn)象情況進行研究[3]。

首先進行模型的建立，根據(jù)晉邦得礦14207 工作面實際地質(zhì)條件，建立模型長、寬、高分別為240 m、200 m 和68.4 m，對模型進行網(wǎng)格劃分，在進行網(wǎng)格劃分時，適當將下煤層巷道進行細化分，便于應力云圖的清晰呈現(xiàn)，劃分完成后共有174 900 個單元，節(jié)點共有184 518 個。對模型上端部施加覆巖自重，根據(jù)計算施加應力為9.2 MPa，對模型的四邊進行約束固定，限制四邊的垂直、水平方向位移。數(shù)值計算的物理模型如圖1 所示。

圖1 數(shù)值計算的物理模型示意圖

為了保證模擬計算的精確度及準確性，通過力學實驗對煤巖的力學屬性進行測定，再對模型進行物理參數(shù)的設定。物理參數(shù)設定如表1 所示。

表1 煤巖物理參數(shù)參照表

2 數(shù)值模擬分析

完成巖層各參數(shù)賦值后進行力學計算，煤層與采空區(qū)交接應力分布云圖及底板應力分布圖如第143頁圖2 所示。

圖2 模擬分析圖

如圖2-1 所示可以看出，煤與采空區(qū)交匯處采空區(qū)下部出現(xiàn)應力降低現(xiàn)象，在此區(qū)域應力值為2 MPa，明顯低于原巖應力，而在采空區(qū)與煤交匯處的煤下方應力出現(xiàn)集中現(xiàn)象，在煤與采空區(qū)交接位置約10 m的距離出現(xiàn)應力最大值，最大值24 MPa，此時應力集中系數(shù)為2.4 MPa，可以看出，在進行下煤層巷道布置時需要將其布設在采空區(qū)與煤巖交匯處采空區(qū)的下端，同時，下煤層巷道的布設方向應當與上煤層巷道類似，這樣下煤層巷道的圍巖變形大的問題才能從根本解決。

根據(jù)圖2-2 可以看出，上煤層巷道隨煤層走向可分為3 個階段，分別為原巖應力區(qū)、應力降低區(qū)及應力升高區(qū)，在沿煤層傾向0 m～35 m 的區(qū)段是屬于原巖應力區(qū)，沿煤層傾向35 m～79 m的區(qū)段是屬于應力降低區(qū)，在此區(qū)段內(nèi)底板的應力值小于原巖應力，沿煤層傾向79 m～99 m的區(qū)段屬于應力升高區(qū)，在此區(qū)段內(nèi)應力集中現(xiàn)象明顯，最大的應力集中系數(shù)為2.4，沿煤層傾向99 m～180 m的區(qū)段屬于原巖應力區(qū)，可以看出，在進行下煤層巷道布置時，應當避開c 區(qū)段，使得下煤層巷道布置于b 區(qū)段。

在進行上部煤層回采時，對下煤層巷道的圍巖變形情況進行分析，在巷道沿軸線位置分別布置測站，測站每10 m一個，共計21 個，同時，在每個測站分別布設頂板、底板、兩幫位移監(jiān)測器，每個斷面布置12個測點，測點布置分別為對角（測點1、測點3）、中線（測點2），分別監(jiān)測巷道的頂?shù)装寮皟蓭妥冃?，由于測點較多，所以本文僅展示回采距離工作面40 m 的圍巖變形曲線，如圖3 所示。

圖3 巷道圍巖變形曲線

根據(jù)研究可知，隨著工作面的不斷推進，下煤層巷道的變形量逐步變大，當回采至40 m 時，此時下煤層巷道變形量最大，頂板的下沉量達到452 mm。底板的底鼓量增大至608 mm，兩幫的移近量最大值達到92 mm，同時從圖3 中可以看出，巷道斷面的變形大致呈現(xiàn)出對稱的特點，巷道斷面軸線為巷道中線位置，在測點2 位置時巷道變形量最大，而測點1 與測點3 的變形量幾乎類似，同時，觀察巷道圍巖變形量隨巷道軸向方向距離的增加呈現(xiàn)先減小后平穩(wěn)的趨勢。根據(jù)模擬分析發(fā)現(xiàn)，當工作面回采距離為0 m～60 m的范圍時，此時的下煤層巷道變形量最大，而當工作面回采大于60 m時，此時巷道變形量較小，巷道較為穩(wěn)定，回采對下煤層巷道穩(wěn)定性影響較小。

對距離工作面不同距離下巷道圍巖變形進行分析，位移變形曲線如圖4 所示。

圖4 巷道表面位移變形曲線

如圖4 所示可以看出，當在工作面前方60 m 時，此時的巷道頂板下沉量為80 mm，底板底鼓量為116 mm，左幫右?guī)鸵平繛?1 mm，此時巷道底板的底鼓量大于巷道頂板的變形量，但兩者均較小，所以在工作面前方60 m 的范圍時巷道不受回采工作面影響，當在工作面前30 m 時，此時的巷道頂板下沉量為150 mm，底板底鼓量為215 mm，兩幫移近量為45 mm，在此階段內(nèi)的巷道變形大于工作面前方60 m 的變形量，在工作面后方30 m 時，此時的巷道頂板下沉量為595 m，底板底鼓量為711 mm，兩幫移近量為63 mm，由于水平應力的剪切作用使得變形量快速增大，在工作面后方60 m 時，此時的巷道頂板下沉量為721 m，底板底鼓量為734 mm，兩幫移近量為67 mm，在此范圍內(nèi)的變形量均為最大值。綜上所述可以看出，隨著距離工作距離的增加，巷道頂板、底板、兩幫變形量均呈現(xiàn)逐步增大的趨勢。

3 結論

晉邦得礦為控制巷道圍巖變形嚴重問題，通過對煤層與采空區(qū)交接應力分布及底板應力分布進行模擬分析，確定了下煤層巷道的合理布置范圍。根據(jù)模擬分析發(fā)現(xiàn)，當上煤層工作面回采距離為0 m～60 m的范圍時，下煤層巷道變形量最大，而當工作面回采大于60 m 時，巷道變形量較小，巷道較為穩(wěn)定。研究發(fā)現(xiàn)，隨著距離工作距離的增加，巷道頂板、底板、兩幫變形量均呈現(xiàn)逐步增大的趨勢。