極近距厚煤層沖擊地壓防治數值模擬研究

馮 杰

（山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司岳城煤礦，山西 晉城 048000）

我國多數煤田賦存有多層距離比較近的可采或局部可采的煤層[1-2]。隨著煤層間距離減小，上下煤層間開采相互影響的程度會逐漸增大，更易誘發沖擊地壓[3-4]。岳城煤礦3上和3下煤層為兩層極近距厚煤層，3上層煤開采嚴重破壞了下層煤頂板的完整性，圍巖穩定性差，再加上受3上煤層開采時遺留煤柱在底板形成集中壓力的影響，3下煤層窄煤柱的留設和工作面的布置是亟待解決的問題。

1 工程地質條件

3上1101工作面埋深約600m，走向長1110～1246m，平均1178m，傾斜長223m，煤層厚度4.4～6.4m，平均5.1m，煤層傾角4～27°，平均16°。3下1101工作面埋深約600m，走向長1286～1302m，平均1294m，傾斜長174m，煤層厚度1.8～5.0m，平均3.7m，煤層傾角，5～26°，平均17°。

根據現場取樣和巖石力學試驗結果，3號煤層圍巖力學參數如表1所示。

表1 圍巖力學參數

2 區段留窄煤柱防沖技術

2.1 區段窄煤柱留設

3上與3下煤層的區段間均留窄煤柱沿空掘巷開掘下區段巷道。根據兩層煤之間的層位布置關系，3上工作面材料巷和3上509工作面運輸巷間的窄煤柱在3下1101工作面的中間位置，可能會對3下1101工作面頂板造成一定程度的應力集中。同時，3下工作面區段間留設窄煤柱，也可能會引起3下1101工作面的巷道的應力集中，造成巷道管理困難，因此對近距煤層開采（區段間留煤柱沿空掘巷），煤柱寬度的選取尤其重要[5]。

2.2 防沖效果模擬

根據現場的地質條件，結合現場實測數據及觀察現象，采用大型非線性三維數值模擬計算軟件（FLAC3D）分別對3m的窄煤柱及15m的煤柱進行數值模擬，分析在這兩種條件下煤柱對頂板控制作用的優劣[6]。

（1）數值模擬模型

結合西五采區3號煤層地質條件，以上述提出的兩種留煤柱沿空掘巷方案為背景，建立FLAC3D模型進行數值模擬。模型長1040m，寬800m，高280m，共劃分450320個單元，470926個節點。在節省單元，提高運算速度的同時，為保證計算精度，按區域需要考慮輕重來調整單元的疏密。

（2）數值模擬結果及分析

圖1 3上工作面煤柱內部垂直應力分布圖

圖1為開采3上507、3上509及3上1101工作面后，3m煤柱和15m煤柱內部的垂直應力分布情況。煤柱內部的原巖應力為13.7MPa，3m煤柱內部應力值最大為3.13MPa，遠遠低于原巖應力，不存在應力集中；而15m煤柱內部應力值最大為29.2MPa，遠遠大于原巖應力，應力集中系數為2.13。窄煤柱自身無法承擔上覆巖層的重量，內部無法儲存彈性能，煤柱不斷被壓酥至破壞，因此煤柱內部不會出現應力集中現象；15m煤柱對于上覆巖層有一定的承載能力，煤柱自身能夠儲存彈性能，煤柱內部將會產生應力集中現象。

圖2 3下工作面頂板垂直應力分布剖面圖（沿地層傾向）

圖3 煤柱處垂直應力分布剖面圖

如圖2所示分別為開采3上507、3上509及3上1101工作面后，3下工作面頂板的垂直應力分布圖，圖3為煤柱處的垂直應力分布情況剖面圖。從圖中可以看出3m煤柱應力影響區域遠小于15m煤柱，頂板應力分布較為平緩；而15m煤柱對應于3下工作面頂板的區域出現了應力集中，頂板應力分布不均勻。因此若留設15m煤柱護巷，當3下煤層開采時，本就十分薄弱的頂板將更加難以維護。

綜上所述，留設3m窄煤柱頂板整體下沉，頂板應力分布平緩，保留了上覆巖層完整性。不僅對于預防3下煤層沖擊地壓和頂板維護具有顯著效果。還有利于提高煤炭采出率。

3 工作面錯位布置防沖技術

3.1 工作面錯位布置

岳城煤礦3上、3下兩層極近距煤層開采時采用錯位布置如圖4所示，3下1101工作面和3下509工作面與3上煤層工作面錯位布置，即下層煤運輸巷、材料巷布置在上層煤采空區的下方，3下1101工作面和3上1101工作面錯位布置。

圖4 工作面巷道布置

3.2 防沖效果模擬

根據現場實測條件，建立數值模型，研究在3上工作面回采巷道和3下工作面回采巷道錯位布置或重疊布置對圍巖應力的影響。

（1）對回采巷道的影響

圖6 3下工作面回采巷道圍巖垂直應力剖面圖

圖5和6分別為3下1101與3上1101工作面回采巷道錯位布置和重疊布置時，沿地層傾向頂板垂直應力剖面圖和沿垂直工作面推進方向巷道垂直應力剖面圖。從圖中可以看出錯位布置時整個覆巖沒有明顯的應力集中區，最大應力出現在回采巷道的左幫，峰值為20.35MPa，頂板應力分布比較均勻，巷道頂板應力較小，應力峰值為13MPa。重疊布置時最大應力也出現在回采巷道的左幫，峰值為25.1MPa，巷道頂板應力峰值為18.5MPa，其煤柱側巷幫變形較錯位布置時嚴重。

（2）下煤層工作面超期支承壓力模擬分析

圖7為3下509工作面沿走向推進300m時頂板垂直應力分布圖，留設在3上煤層的窄煤柱，對應于3下工作面區域會造成一定程度的應力影響，與工作面推采時的頂板超前支承應力疊加會使超前應力峰值增大。工作面前方未受煤柱壓力影響區域頂板的超前支承應力峰值為7MPa，疊加處應力峰值為9MPa，可知3上工作面遺留煤柱對頂板超前支承應力的疊加不大，不會對工作面正常推進造成影響，對3下工作面開采時沖擊地壓的防治有積極的作用。

圖7 3下煤層走向推進300m頂板垂直應力分布圖

綜上所述，對于極近距煤層開采，3下煤層工作面采取錯位布置，巷道布置在采空區下方，頂板壓力不大，有利于對巷道的支護及管理；工作面開采時3上煤層的煤柱對工作面的頂板壓力作用不大，工作面圍巖也沒有明顯應力集中區，最大應力不超過9MPa。采用錯位布置是比較合理的巷道布置方式，對3下煤層工作面的防沖具有積極的作用。

4 結論

（1）留設3m窄煤柱頂板整體下沉，頂板應力分布平緩，保留了上覆巖層完整性，不僅對于預防3下煤層沖擊地壓和頂板維護具有顯著效果，還有利于提高煤炭采出率。

（2）對于極近距煤層開采，3下煤層工作面采取錯位布置，巷道布置在采空區下方，頂板壓力不大，有利于對巷道的支護及管理。

（3）對于具有沖擊危險性的極近距煤層，采用“窄煤柱護巷+錯位巷道布置”防沖方案，可以大大降低工作面沖擊危險性。