近距離煤層下層煤應力分布規律研究

趙曉東

(山西新景礦煤業有限公司, 山西 陽泉市 045000)

近距離煤層由于其煤層間距小,導致諸多巷道布置及支護問題。對近距離煤層巷道圍巖應力變化進行研究,可以有效制定合理的巷道布置及支護方案,對井下安全生產具有重要意義。

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＃煤采空區下方9＃煤層中的巷道穩定性控制問題嚴重制約著9＃煤層的回采。因此,亟需研究極近距離煤層采區及順槽圍巖應力的分布規律,為下層煤回采巷道的位置選擇和圍巖的支護設計提供科學合理的理論根據。

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將會影響到9＃煤層的巷道支護與回采工作。9＃煤層一采區回風、膠帶和軌道下山受上覆近距離8＃煤層采空區影響,所以對這3條巷道所處位置的應力分布進行研究,可為以后9＃煤層中的巷道布置及支護提供參考。工作面9＃煤層為全區穩定的可采煤層,屬于石炭二疊系上統太原組,煤層結構較為簡單,煤層厚度在0.28～3.24 m之間,平均厚度為1.48 m。煤層比較穩定,有0～3層夾矸,煤層結構比較簡單。頂板多為砂質泥巖,其次為碳質泥巖、泥巖、粉砂巖、細粒砂巖或中粒砂巖,底板為泥巖、炭質泥巖、砂質泥巖、粉砂巖、細粒砂巖或中粒砂巖。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律研究

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

(2)當煤柱的寬度逐漸減小,但仍相對較大時,即使煤柱兩側的支承壓力相互疊加,中部形成比較大的彈性區,但支承壓力與兩側相比較小,應力表現為馬鞍型狀態分布。

(3)當煤柱的寬度逐漸降低到某一值時,應力增高系數也伴隨增加,煤柱應力仍然由兩側的支承壓力組合而成,此時,應力表現為鐘形狀態分布。

煤柱兩側采空區的支撐壓力分布如圖1所示。

3 下層煤應力分布數值模擬分析

煤礦巷道的地壓是由于巷道周邊巖體受到擾動而產生的力學效應,使用FLAC3D大型計算軟件可以模擬煤礦巷道周圍巖層應力分布情況。為了適應現場的實際情況和進一步掌握極近距離煤層下層煤應力分布特征,采用數值模擬對這一地質特征下聯合開釆進行研究說明,以彌補理論分析的局限性。

3.1 圍巖地質條件

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

圖1 煤柱兩側采空區的支承壓力分布

表1 8＃、9＃煤層及其頂底板巖層的物理力學參數

3.2 數值模擬過程

(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個側面全都是位移邊界,用來限制水平移動,底部是固定邊界。整個模型一共分為89000個單元,120000個節點,網格大小變化處用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 計算模型

(2)采空區的模擬。采空區可以粗略的看成彈性體支撐。其物理參數如表2所示。

3.3 9＃煤層中應力分布特征

由圖3可以看出,8＃煤層回采完畢后,采空區下方垂直應力減小,形成了垂直應力釋放區,該區域范圍內的垂直應力小于原巖應力,而在煤壁中垂直應力形成了劇烈的應力集中區域,垂直應力的峰值達到了26.8 MPa,嚴重影響了采空區底板的應力分布。遠離采空區煤壁時,應力集中逐漸消失,并且降低到原巖應力狀態。

表2 采空區已冒落矸石的物理力學參數

圖3 采空區下方垂直應力分布云圖

從圖4可以看出,在8＃煤回采完畢后,在右上方圍巖中,水平應力產生了應力集中現象,水平應力的峰值達到22.4 MPa,但水平應力重分布對采空區底板基本沒有影響,其值的大小等于原巖應力。

圖4 采空區圍巖水平應力分布云圖

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

8＃煤回采工作結束后,在9＃煤層中布置測線監測9＃煤層的應力分布(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 采空區圍巖剪切應力分布云圖

圖6 上層8＃煤回采結束后9＃煤層中應力分布曲線

4 結 論

以爐峪口煤礦8＃、9＃近距離煤層為研究背景,利用理論分析及數值模擬方法,綜合分析極近距離煤層采區及順槽圍巖應力的分布規律。主要結論如下：

(1)在距采空區煤壁向實體煤方向20 m以外應力恢復到正常狀態,為原巖應力區。8＃煤采空區煤壁對9＃煤層25 m左右的范圍內有很強烈的影響,向煤柱下方20 m,向采空區下方5 m。

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