含軟弱夾矸厚煤層巷道層位數值試驗

余國猛

（江蘇礦業工程集團第四工程處西川煤礦，江蘇 徐州 221116）

0 引 言

隨著我國煤炭生產向陜西、內蒙、新疆等西北區域的戰略轉移[1]，含軟弱夾矸厚煤層（厚度大于3.5m）甚至巨厚煤層（達到200m）的回采巷道布置問題受到了廣泛關注。軟弱夾矸破壞了巷道圍巖的連續性，是巷道圍巖變形破壞的薄弱結構，嚴重影響圍巖的整體穩定性[2-4]。軟弱夾矸的層位、層厚、巖性被證明是影響巷道圍巖穩定的關鍵參數[5-7]，在巖性固定的條件下，合理的軟弱夾矸層位、錨桿支護技術及支護參數可以有效控制軟弱夾矸誘導的巷道圍巖大變形破壞[8]。本文綜合采用理論分析、數值模擬、對比分析的方法研究了特定條件下軟弱夾矸層位對巷道穩定性的影響，從而確定了合理的巷道層位。

西川煤礦1113綜采放頂煤工作面布置在4#煤層中，煤層平均厚度為9.3m，平均傾角為4°，平均埋深為480m，包含4-1煤層、軟弱夾矸和4-2煤層，屬于典型的含軟弱夾矸厚煤層。4-1煤層平均厚度4.6m，4-2煤層平均厚度4.2m，夾矸層為炭質泥巖，平均厚度0.5m。直接頂為粉砂巖，平均厚度1.5m。基本頂為中粒砂巖，平均厚度10.3m，富含砂巖裂隙水。直接底為炭質泥巖，平均厚度1.5m。基本底為泥巖，平均厚度40.5m。1113工作面位于西川煤礦一采區西翼，東為一采區下山保護煤柱，西為采區邊界煤柱，南為正在回采的1111綜放工作面，北為未開采區。1113工作面回采巷道設計為矩形斷面，斷面尺寸為4×3.5m。

1 數值計算方法

采用FLAC3D數值分析軟件計算軟弱夾矸層位對巷道圍巖應力、位移、塑性區的作用規律。數值計算模型尺寸為長×寬×高為200m×133m×120m，單元格84462，采用“摩爾-庫倫”本構模型模擬各巖層的力學行為。該模型上表面設定為應力邊界，應力值按照煤層埋深400m時上覆煤巖層自重載荷計算，側應力系數為1，底邊界在垂直方向固定，兩側邊界和前后邊界水平方向固定，模型中各分層的力學參數見表1。

考察學習中，考察團一行先后來到長治市武鄉八路軍紀念館和平順縣，進行重溫入黨誓詞，并聽全國勞動模范申紀蘭老人上黨課，接受愛國主義教育。同時結合此行考察重點，考察團還對長治市幾個鄉、縣的種植、養殖合作社、集體經濟示范村、鄉村旅游示范點的運營管理、農村“兩委”建設、民主管理、村委會民主監督等典型經驗進行了學習和交流。對長治市城區相關社區基層黨建和社會管理工作進行了深入了解。

這是詩中“我”作為主體的最后一次狀態陳述，S4表示“現在”的“我”，O4為價值對象“大陸”。在“我”的老年時期，價值對象由人變成了祖國，而“我”與祖國仍處于析取狀態。

綜合分析巷道層位對煤巷圍巖應力場、位移場、塑性區的作用規律可知，方案3和方案7應力集中區距離巷道較其他方案近，應力降低區范圍較其他方案小，位移矢量分布較均勻、較小，圍巖累計變形量相對較小、塑性區范圍較小，圍巖承載能力較強，是較為合理的夾矸層位，考慮到方案7巷道留底煤厚度顯著大于方案3，最終確定巷道的層位為方案3。

表1 巖層的物理力學參數

圖1 巷道層位布置圖

2 巷道層位對煤巷圍巖穩定性影響

2.1 圍巖應力場分布

2）提出用煤巷圍巖的應力場、位移場和塑性區分布作為衡量軟弱夾層層位對厚煤層巷道圍巖穩定性的評價分析指標。

隨著巷道層位的變化，圍巖水平應力分布差異比較明顯，主要體現在水平應力降低區和升高區的分布、應力集中程度不同（圖3）。方案1頂底板水平應力集中區距離巷道較遠，值為14MPa，圍巖頂底板附近出現水平應力降低區，兩幫水平應力降低區范圍較大；方案2底板水平應力集中區明顯上移靠近巷道底板，頂板水平應力集中區位置基本不變，范圍有所減小，值為14MPa，頂板應力降低區與兩幫應力降低區導通，形成圍巖貫通性水平應力降低區；方案3頂底板水平應力集中區均向巷道附近平移，且值也減小到12MPa，頂底板水平應力降低區范圍大大減小，兩幫水平應力降低區相對于方案1、2也較小；方案4頂板水平應力集中區分為兩個中心，值均為12MPa，距離巷道頂板較近，底板水平應力集中區范圍較小，值較大，達到20MPa，水平應力降低區主要分布于兩幫位置，且呈B型對稱分布；方案5頂板水平應力集中區距離巷道較近，水平應力大小為12MPa，底板水平應力集中區距離巷道較遠，應力值為16MPa，頂底板水平應力出現非對稱現象水平應力降低區主要出現在巷道幫部；方案6頂板水平應力升高區范圍較小，距離巷道較近，應力大小為14MPa，底板水平應力集中范圍較大，應力大小為16MPa，水平應力降低區主要出現在巷道兩幫和底板上，形成貫通性水平應力降低區；方案7頂底板水平應力集中區距離巷道較近，應力大小均為14MPa，底板水平應力集中區范圍較大，水平應力降低區主要分布于兩幫和底板，且兩幫水平應力降低區形狀類似翅膀，呈對稱分布。

圖2 煤巷圍巖垂直應力場

我不知該怎樣表達自己的感激了。我躬著身子，一步一句地道謝林老板。出了總經理室，我迅速給阿花發了個信息：談得很成功！然后跟著李霞去了拋光車間。不少老同事一見我，歡呼雀躍了，爭著說阿坤，要不要我？早就不想在這鳥廠干了。我說不要老朋友要誰？要！我挑了十個人，包括劉建，都是我以前的同事。他們都是大發廠拋光車間的中堅力量，技術非常嫻熟。我還擔心大發廠舍不得放呢，沒想到李霞和夏俊都沒提出異議，大概是林強信發了話，他們只有遵照執行了。

圖3 煤巷圍巖水平應力場

2.2 圍巖位移場分布

巷道層位對巷道圍巖塑性區分布規律如圖5所示。整體上來講方案3、4、5、7圍巖塑性破壞區顯著小于方案1、2、6。方案1底板圍巖塑性區分布范圍較廣，直接底出現深度拉剪破壞，直接頂和兩幫淺部圍巖出現深度壓剪破壞，較深部的圍巖出現輕度壓剪破壞；方案2直接頂出現較大范圍的深度拉剪破壞，破壞深度為1m，直接底出現深度拉剪破壞，兩幫淺部圍巖主要為壓剪破壞；方案3直接頂出現輕度拉剪破壞，破壞范圍較小，直接底出現小范圍的深度拉剪破壞，兩幫主要為深度壓剪破壞；方案4、5直接頂板和底板均出現輕度拉剪破壞，深部圍巖出現壓剪破壞，兩幫為深度壓剪破壞；方案6底板出現深度拉剪破壞，破壞深度為1m，頂板為輕度壓剪破壞，兩幫為深度壓剪破壞；方案7頂板出現輕度和深度拉剪破壞，兩幫和頂板淺部圍巖均為壓剪破壞。

圖4 煤巷圍巖位移場

2.3 圍巖塑性區分布

巷道層位對圍巖位移場影響如圖4所示。方案1和方案2圍巖位移顯著大于其他方案，方案1底鼓變形較大。方案2頂底板變形大小相當，兩幫變形較小。對于方案 3、4、5、6、7，位移矢量分布較大的部位均為夾矸層所在層位，且夾矸層周邊圍巖位移矢量也相對較大。

圖5 煤巷圍巖塑性區

為了充分研究夾矸層位對巷道圍巖承載能力的影響，提出6個模擬方案：方案1為巷道布置在4-2煤層中，留0.5m厚底煤掘進；方案2為巷道布置在4-2煤層中，沿夾矸層掘進；方案3為巷道布置在4-2煤層中，沿4-1煤層掘進；方案4為巷道布置在4-1和4-2煤層中破夾矸掘進；方案5為巷道布置在4-1煤層中，破夾矸沿4-2煤層掘進；方案6為巷道布置在4-2煤層中沿夾矸層掘進，各方案巷道層位布置如圖1所示。

3 結論

1）發現軟弱夾矸是煤巷圍巖變形破壞的薄弱結構，容易引起鄰近圍巖的塑性破壞，是含軟弱夾矸厚煤層巷道圍巖控制的關鍵部位。

隨著巷道層位的變化，圍巖垂直應力分布規律整體上非常相似，區別在于應力降低區和應力升高區范圍不同（圖2）。方案1、2、6、7底板垂直應力降低區遠大于方案3、4、5；方案1、2頂板垂直應力降低區較大；方案6兩幫垂直應力升高區范圍較大。

3）確定了具體工程地質條件下巷道的合理層位是使夾矸位于煤巷的幫部，大大減小了圍巖變形破壞，為厚煤層綜放工作面回采巷道布置提供了理論依據。