近距離采空區下巷道圍巖變形規律

劉 波

(霍州煤電集團河津薛虎溝煤業有限責任公司，山西 霍州 031400)

0 引言

近年來,隨著我國煤炭資源結構的不斷優化，對煤炭資源的依賴程度逐步降低，但其仍是我國目前一次能源消耗中最重要的能源。近距離煤層在我國分布較為廣泛，其儲量及可采量極為豐富，但在近距離煤層開采時，先開采煤層會對后開采煤層造成不利影響，所以在進行近距離下煤層開采時極易出現頂板破壞，底板支護難等問題[1-3]。為了解決近距離煤層開采過程中的難題，李國棟等[4]為保證近距離煤層采空區下煤層巷道的穩定性，提出當煤層間距大于5 m時采用錨桿、金屬網、梯子梁以及錨索相結合的支護方式。而層間距小于5 m時，通過降低錨索長度且加大上覆巖采空區煤柱側巷幫錨桿數量實現巷道支護，通過現場實踐驗證了支護方案的可行性與優越性。為此，以薛虎溝煤礦為研究背景，通過理論分析及數值模擬軟件對近距離下煤層巷道圍巖的變形進行分析，為下煤層巷道支護提供參考。

1 礦井概況及理論分析

1.1 礦井概況

薛虎溝煤礦位于山西省河津市下化鄉陳家嶺村北，井田占地面積約23.8 km2，西北走向6.6 km，南北平均寬度約3.6 km，薛虎溝煤礦年設計生產能力為90萬t/年，礦區總面積23.8 km2，主采煤層為8號和9號煤層，2種煤層的厚度均值分別為3.1 m和2.7 m，8號、9號煤層的煤層傾角平均值均為3°，29204工作面的標高為+860 m，工作面的埋深為270 m，煤層結構較為穩定，屬于穩定煤層，煤層的平均間距為4.3 m，屬于近距離煤層。29204工作面主采煤層為9號煤層，巷道的布置沿著28204采空區的底板進行布設，由于上煤層工作面回采的影響，使得29204工作面頂板破碎嚴重，巷道煤層的開采面臨較大的安全問題，因此必須對下煤層巷道變形情況進行分析，便于巷道支護方案的設計，從而提升巷道的掘進效率，保證巷道的安全。

1.2 理論分析

分析下煤層巷道頂板破壞情況首先需要對上煤層底板的破壞進行分析[5-7]。上煤層底板的損傷破壞深度可以根據式(1)得出

(1)

式中，β為巖石的節理發育系數，取0.4；Rc為巖石的單軸抗壓強度，MPa；L為工作面長度，m；H為采場的埋深，m；λ為覆巖的容重，kN/m3。根據實際地質情況將各參數值進行代入，經過計算可得上煤層底板的破壞深度為3.49 m。薛虎溝煤礦8號和9號煤層平均間距為4.3 m。可以看出煤層間的底板大面積破壞，但未完全破壞，存在部分完整的巖層。

2 數值模擬

2.1 模型建立

對近距離煤層采空區下煤層巷道圍巖的變形特征進行分析，根據薛虎溝煤礦地質條件，首先建立數值模型。采用 FLAC3D軟件計算，在模型建立時考慮到煤層的傾角均較小，所以本次模擬簡化為近水平煤層，同時為了避免出現邊界效應，在工作面外側增加30 m的邊界長度，建立模型為110 m×5 m×45 m(長×寬×高)。模型的網格劃分在確保模擬精度的基礎上盡量粗劃分，從而實現節省模擬時間的作用，完成模型劃分后對模型的邊界條件進行設定，固定模型左右及下端位移，設定為固定約束，在模型的上端施加覆巖自重6 MPa的均布載荷。完成外部荷載及約束設定后，對巖層的力學屬性進行設定[8-10]。具體巖層物理參數見表1。

表1 煤層及巖層力學參數

2.2 模擬計算

完成模型的參數設定后，選定摩爾-庫倫模型為本構模型，完成模型建立后，對模型進行計算，模擬的開挖過程可以分為地應力平衡—上煤層開采—平衡—下煤層巷道開挖—平衡穩定。

2.2.1 上煤層開采圍巖垂直應力分布

為了研究巷道圍巖變形情況，在上煤層底板及下煤層頂板位置分別布置應力監測線，上煤層開采后圍巖垂直應力分布云圖如圖1所示。從圖1可以看出，隨著上煤層工作面的開采，此時上煤層頂板覆巖發生破壞，圍巖應力重新分布，頂板的應力逐步向著回采煤柱轉移，在煤柱側形成應力集中支撐壓力，隨著采空區頂板的破壞，此時巷道逐步區域穩定，采空區內部由于頂板垮落充填穩定性得到較大幅度提升，在距離采空區實體煤側一定距離后圍巖的應力逐步恢復為原巖應力。在實體煤柱側垂直應力為6.7 MPa，而在深入煤體位置應力峰值為17.2 MPa，應力集中系數為2.4。

圖1 上煤層開采圍巖垂直應力分布云圖Fig.1 Vertical stress distribution of surrounding rock during mining of upper coal seam

2.2.2 不同內錯距離下巷道圍巖應力分布

對9號煤層巷道布設不同位置時下煤層巷道圍巖變形進行分析，下煤層巷道布設分別設定為內錯距離10 m、20 m、30 m、40 m，巷道圍巖的應力分布如圖2所示。可以看出，當下煤層巷道與上煤層內錯距離為10 m時，此時下煤層巷道處于應力降低區，此時巷道的應力值明顯小于周圍巖層的應力，隨著巷道的掘進，巷道頂、底板及兩幫的主應力向著煤巖側轉移，當內錯距離為10 m時的巷道整體應力環境較好，最大應力值小于2 MPa，當下煤層巷道與上煤層內錯距離為20 m時，此時巷道位置處于應力降低區與原巖應力區的接觸位置，應力值呈現左幫大于右幫的趨勢，左幫的應力最大值為8.92 MPa，右幫的應力最大值小于2 MPa；當內錯距離增大至30 m時，此時下煤層巷道位于上煤層采空區矸石充填位置的下端，此時的巷道整體應力大于原巖應力，在掘進后煤體的應力有了一定幅度的增加，增加的幅度最大為4.67 MPa，此時同樣呈現出右幫應力小于左幫的特性；當內錯距離增大至40 m時，此時巷道位置處于上煤層采空區矸石充填影響范圍，在掘進前圍巖的應力大于原巖應力，掘進后巷道煤體的應力增幅最大為3.72 MPa。從以上分析可以看出，當內錯距離為10 m時，巷道處于應力降低區，整體的應力環境最佳，在此位置布置下煤層巷道對于巷道整體維護十分有利[11-12]。

圖2 不同內錯距離下巷道圍巖應力分布Fig.2 Stress distribution of roadway surrounding rock under different internal staggered distances

2.2.3 不同內錯距離下巷道圍巖變形

對4種內錯距離下的巷道圍巖變形進行分析，下煤層巷道與上煤層巷道內錯距離10 m、20 m、30 m、40 m，下煤層巷道圍巖變形曲線如圖3所示。從圖3可以看出，隨著距巷道表面距離的增加，巷道圍巖的整體變形呈現逐步減小的趨勢，這是由于距離巷道越遠，掘進擾動對圍巖變形的影響越小，當下煤層巷道與上煤層巷道內錯距離為10 m和20 m時，此時的巷道圍巖整體變形呈現為頂板下沉量最小，右幫變形量小于左幫變形量，而當下煤層巷道與上煤層巷道內錯距離為30 m和40 m時，此時的頂板下沉量變形最大，右幫變形量小于左幫變形量，出現此現象是由于上煤層開采對下煤層的擾動不同而造成的，擾動不同下煤層巷道不同位置出現不同的變形。當內錯距離為30 m和40 m時，此時的巷道整體變形量明顯大于內錯距離10 m和20 m時的變形量，內錯距離為10 m時的巷道變形量最小，此時的頂板下沉量為100 mm，兩幫的移近量最大值為195 mm。綜上可以看出，受到8號煤層開采的影響，在9號煤層巷道圍巖不同位置出現不同的變形程度，內錯距離越大巷道圍巖的變形越大，且在內錯距離為10 m時的巷道圍巖變形最小[11-12]。

圖3 不同內錯距離下巷道圍巖變形曲線Fig.3 Deformation curve of roadway surrounding rock under different internal staggered distances

3 結論

(1)通過理論分析結合薛虎溝煤礦實際地質情況，計算上煤層底板的破壞深度，經過計算得出上煤層底板的破壞深度為3.49 m，小于8號煤層和9號煤層間距，所以底板未完全破壞。

(2)利用數值模擬軟件對不同內錯距離下的圍巖受力情況進行分析，發現當內錯距離為10 m時，巷道處于應力降低區，整體的應力環境最佳。

(3)對不同內錯距離下的圍巖變形情況進行分析，發現內錯距離越大巷道圍巖的變形越大，當內錯距離為10 m時，巷道處于應力降低區，整體的應力環境最佳，此時的頂板下沉量為100 mm，兩幫的移近量最大值為195 mm。