極近距離煤層采空區(qū)下巷道布置數(shù)值模擬

王 強

(大同煤礦集團有限責任公司技術(shù)中心,山西大同 037000)

極近距離煤層在我國分布廣泛,我國各大礦區(qū)占有很大比例[1]。由于當煤層距離較近時,通常采用下行開采方法[2],這就必然導致下層煤受到上層采煤工作面開采應(yīng)力與上層煤區(qū)段煤柱應(yīng)力集中的影響[3]。目前國內(nèi)對極近距離煤層的開采進行了經(jīng)驗性、實踐性研究[4,5,6],姚少武[7]通過運用數(shù)值模擬試驗,對下煤層工作面回采巷道穩(wěn)定性造成影響的應(yīng)力分布進行了研究；于洋等[8]研究了極近距離上位煤層采空區(qū)下底板巖層的應(yīng)力分布規(guī)律及下位煤層巷道變形破壞特征,合理解釋了上層煤柱對下煤層巷道的應(yīng)力還應(yīng)考慮水平應(yīng)力對其的影響及近距離煤層煤柱下回采巷道布置方式進行研究。本文分析了煤柱底板應(yīng)力分布及對下覆煤層巷道的影響,運用FLAC3D模擬上層煤回采后應(yīng)力情況及回采巷道不同布置方式的塑性區(qū)破壞,通過塑性區(qū)直觀了解圍巖破壞情況。

1 工程概況

大同礦區(qū)某礦石炭系3#煤層的厚度約為4 m,5#煤層的厚度約為11 m。3#煤層與5#煤層的間距為3 m～6 m,二者為極近距離煤層,上覆3#煤層301 盤區(qū)早已開采完畢(2002年～2004年),留有煤柱。

2 3#層煤柱集中應(yīng)力影響范圍及影響程度數(shù)值計算

2.1 模擬內(nèi)容

根據(jù)實際工程中的煤層開采過程,數(shù)值模擬的計算過程如下：

(1)根據(jù)實際煤層開采順序：回采3#煤層→形成上覆煤柱→計算至平衡→研究煤柱下方巖體應(yīng)力分布規(guī)律,為確定5#煤層巷道合理布置位置提供依據(jù)；

(2)按內(nèi)錯0 m(重疊布置)、內(nèi)錯10 m、內(nèi)錯15 m和外錯10 m 四種布置方式,開挖5#煤層5107 巷道,計算至平衡,研究不同布置方式下巷道的破壞情況,確定5#煤層巷道合理的布置位置。

2.2 模型的建立

以3#層煤柱中線為Z軸,5#煤層底面為X軸,工作面走向為Y 軸,建立某礦近距離煤層巷道合理布置研究模型。本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫模型,考慮到邊界效應(yīng)及計算的速度,模型正負X方向各取100 m,正負Z方向各取70 m,Y方向取10 m。

圖1 模型橫斷面圖

表1 3#、5#煤巷道圍巖巖石物理力學參數(shù)

2.3 3#層煤柱底板中應(yīng)力分布規(guī)律研究

3#煤層開采完成后,其下部巖體中,垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力分布如圖2和圖3所示。

由圖2和圖3可知：

(1)3#煤層開采后,采空區(qū)下方5#煤層應(yīng)力得到了很大程度的釋放,垂直應(yīng)力降到了4 MPa以下,絕大部分范圍內(nèi),水平應(yīng)力也降到了5 MPa以下。

(2) 3#煤層開采形成的煤柱承受了整個采面的原有荷載,在煤柱內(nèi)部形成的較大的集中應(yīng)力,以垂直應(yīng)力為例,最大值達到35 MPa,對稱出現(xiàn)在距煤柱表面7.5 m 左右處,按照自重計算,垂直原巖應(yīng)力為11.25 MPa,那么煤柱應(yīng)力集中系數(shù)約為3.1。

相對于水平應(yīng)力,煤柱下方集中垂直應(yīng)力擴散和衰減幅度較大。對應(yīng)上覆煤層回采巷道下方16 m 深度位置,垂直應(yīng)力為16.2 MPa,水平應(yīng)力為18.5 MPa,二者相對原巖的應(yīng)力集中系數(shù)分別是1.44和1.64。

圖2 垂直應(yīng)力分布等值線圖

圖3 水平應(yīng)力分布等值線圖

在5#煤層中,3#煤層煤柱內(nèi)部應(yīng)力在下部巖層沿深度和寬度方向逐漸擴展、衰減,利用fish 函數(shù),提取應(yīng)力的具體數(shù)值,得到5#煤層5107巷頂板上部0.67 m、3.47 m 和6.27 m 處,垂直應(yīng)力與煤柱中心線之間的變化曲線,如圖4所示。

圖4 垂直應(yīng)力與煤柱中心線距離的關(guān)系

在圖中可以看出,垂直方向上,5#煤層內(nèi),5107 巷道頂板應(yīng)力分布受豎向位置影響較小,均呈現(xiàn)先增加后降低的類拋物線形；在水平方向上,x=±16.0 m(即3#煤層煤柱邊緣正下方)時,應(yīng)力為13.83 MPa 左右,約為原巖應(yīng)力的1.3 倍；x=±20.0 m 時,垂直應(yīng)力約為4.8 MPa,約為原巖應(yīng)力的0.5倍；隨著位置遠離煤柱,上述垂直應(yīng)力進一步降低。也就是說,在5#層5107巷道布置時,距離3#煤層煤柱越遠,圍巖應(yīng)力越小,對后期的巷道穩(wěn)定性控制越有利,但與此同時,錯距越大,5#層開采形成的煤柱的寬度越大,對厚度達到11.2 m 厚的煤層,煤柱寬度每增加1 m,造成了煤炭資源浪費量也是巨大的。

3 不同錯距下5107巷破壞形態(tài)分析

根據(jù)前面的分析可知,5#層5107 巷道的布置位置最好遠離3#煤層煤柱,但從資源利用的角度看,5#層煤柱越窄越好,也就是5107巷的布置要盡可能在水平距離上靠近3#層煤柱。按內(nèi)錯15 m、10 m、0 m(重疊布置)和外錯10 m四種工況,開挖5#層5107巷,以巷道的破壞范圍為主要指標,對四種布置方案進行分析評價。

圖5 5107巷不同布置位置圍巖破壞情況

由圖5可知：

(1)5#層5107巷距3#層煤柱距離較遠時,巷道破壞能保持較好的穩(wěn)定性,如圖5(a)和圖5(b)所示,內(nèi)錯距離為15 m 時,巷道開挖穩(wěn)定后,方案一能很好的控制較小圍巖應(yīng)力環(huán)境中的圍巖破壞問題,巷道沒發(fā)生塑性破壞；內(nèi)錯距離為10 m時,由于應(yīng)力的增加,巷道煤柱側(cè)頂板和幫出現(xiàn)了部分剪切破壞,但破壞厚度均在1.25 m以下,圍巖穩(wěn)定性較好。

(2)重疊布置時,由于巷道所在區(qū)域應(yīng)力變化幅度大,且量值較高,巷道破壞較為嚴重,在方位上,破壞面積主要分布在靠近3#層煤柱的頂板和頂角,最大破壞厚度接近7.0 m。

(3)外錯10 m 布置時,在25 MPa 以上的巨大垂直應(yīng)力作用下,巷道破壞嚴重,沿巷道對角線方向逐漸向上發(fā)展,破壞范圍貫通,同時,左幫、底板等煤巖體,也均有不同程度的破壞,頂板最大下沉量達到1.7 m,破壞嚴重。

綜上所述,5#層5107 巷與3#層煤柱內(nèi)錯距離不小于10 m時,圍巖穩(wěn)定性較易得到控制；重疊布置時,巷道破壞范圍較大,通過對支護方案進行優(yōu)化設(shè)計,控制該種工況下的巷道穩(wěn)定性難度不大；外錯布置時,5107巷均在3#煤層煤柱形成的高應(yīng)力區(qū),層間破壞范圍相互貫通,支護十分困難。

4 結(jié)論

(1)3#層8107與8105工作面之間煤柱仍然處于彈性壓縮力學狀態(tài),對上覆壓力仍具有良好的傳導放大功能,放大系數(shù)為3.1。煤柱下方仍然存在應(yīng)力集中區(qū),其沿深度和寬度方向逐漸擴展、衰減。

(2)3#煤層煤柱底板塑形破壞深度為3.54 m～5.08 m,5#層5107巷頂板上部約有42%(約5 m)處于上分層煤柱影響范圍內(nèi),錨索錨固段應(yīng)布置在煤層中,注意避開煤巖體交界面和已經(jīng)破壞的炭質(zhì)泥巖區(qū)。

(3)5#層5107 巷與3#層煤柱內(nèi)錯布置時,圍巖穩(wěn)定性較易得到控制；重疊布置時,巷道破壞范圍較前者大,通過對支護方案進行優(yōu)化設(shè)計；外錯布置時,5107巷均在3#層煤柱高應(yīng)力區(qū)影響范圍內(nèi)。

綜上所述,在保證安全的前提下,可以通過對重疊布置這種形式下巷道的優(yōu)化支護設(shè)計,達到以盡量小的支護成本換取盡量多的資源價值的目的。