李志強(qiáng)

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司遼源礦，山西 太原 030000）

引言

在開采淺埋近距離煤層時(shí)，由于下煤層巷道圍巖穩(wěn)定性較差，使得其維護(hù)工作極其復(fù)雜。在進(jìn)行下煤層開采時(shí)由于采用留煤柱開采的方式，使得在留煤柱位置的下煤層出現(xiàn)應(yīng)力集中，造成下煤層工作面發(fā)生較大的位移變形，因此研究近距離煤柱下巷道圍巖的變形是十分重要的，此前王襄禹、張科學(xué)[1]針對(duì)近距離超寬煤柱下垂直應(yīng)力的分布、頂板的結(jié)構(gòu)變化等進(jìn)行分析，得到了超寬煤柱對(duì)下煤層正常開采的影響及下煤層支架工作阻力的變化情況，魏永前、宛志紅[2]針對(duì)極近距離下煤層工作面冒頂及支架壓死的問題，通過理論計(jì)算及數(shù)值模擬分析，給出了支架的選型情況，為液壓支架的選擇提供參考。本文針對(duì)遼源礦8103 工作面巷道圍巖變形嚴(yán)重問題，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)近距離煤柱下煤層巷道圍巖的變形進(jìn)行分析，為下巷道圍巖的支護(hù)提供一定的借鑒。

1 礦井概況

遼源礦位于山西古交馬蘭鎮(zhèn)南家山村附近，井田面積1.98 平方公里，主要開采太原組2#、8#、9#煤層，設(shè)計(jì)能力60 萬t/a。8#煤層的平均厚度為4.5 m，9#煤層平均厚度為2.9 m，兩煤層間的距離為6 m，屬于近距離煤層，在實(shí)際生產(chǎn)過程中選定下行式開采，上煤層巷道預(yù)留20 m 護(hù)巷煤柱，2#煤層巷道選定錨桿錨索+金屬網(wǎng)的聯(lián)合支護(hù)方案，但由于巷道的應(yīng)力屬于非對(duì)稱分布，所以造成巷道兩幫的移近量較大，幫部的變形嚴(yán)重。8103 工作面現(xiàn)主要開采太原組8#煤層，受圍巖應(yīng)力影響，巷道變形嚴(yán)重。

2 巷道圍巖應(yīng)力分析

在上部煤層開采完畢后，遺留的煤柱使得巷道圍巖應(yīng)力重新分布，在進(jìn)行下部煤層巷道開采時(shí)出現(xiàn)圍巖應(yīng)力的變化，此現(xiàn)象在上部煤層開采時(shí)尤為明顯，此時(shí)由于上煤層回采及下煤層掘進(jìn)使得巷道出現(xiàn)應(yīng)力的疊加，嚴(yán)重影響著下煤層巷道的穩(wěn)定性。一般來說下煤層巷道的圍巖變形及破壞主要是受到巷道圍巖性質(zhì)、上工作面回采擾動(dòng)及支護(hù)方案影響，因此本文利用FLAC3D 數(shù)值模擬軟件對(duì)遼源礦8103 工作面巷道進(jìn)行建模分析，從而得出下煤層巷道圍巖的應(yīng)力及變形情況。

首先進(jìn)行模型的建立，在進(jìn)行模型建立時(shí)首先需要考慮8103 工作面實(shí)際的地質(zhì)情況，選定2#、3#煤層進(jìn)行分析，建立模型的長(zhǎng)×寬×高分別為240 m×200 m×68.4 m，完成模型尺寸建立后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)將巷道附近網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化分，在模型的邊界采用粗劃分，這樣既能保障模擬的計(jì)算精度，同時(shí)也能夠較為及時(shí)地完成模擬計(jì)算，完成網(wǎng)格劃分共計(jì)174 900 個(gè)單元和184 518 個(gè)節(jié)點(diǎn)，完成網(wǎng)格劃分后對(duì)模型力學(xué)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，在模型的上端部施加均布載荷9.2MPa，同時(shí)根據(jù)實(shí)際地質(zhì)資料對(duì)巖層各層的力學(xué)屬性進(jìn)行設(shè)置[3]。數(shù)值模擬地計(jì)算模型的示意圖如1 所示。

圖1 數(shù)值模型示意圖

完成模型建立后進(jìn)行模擬計(jì)算，首先對(duì)上煤層的底板應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析，給出上煤層工作面底板應(yīng)力隨距離的變化曲線如第126 頁圖2 所示。

圖2 底板應(yīng)力隨距離的變化曲線

從圖2 可以看出，上煤層工作面進(jìn)行開采時(shí)，此時(shí)的支撐壓力經(jīng)過煤層逐步傳遞至巷道的底板，此時(shí)沿著煤層的方向，巷道底板整體呈現(xiàn)出3 個(gè)階段，其中當(dāng)沿煤層距離為0 m～35 m 和99 m～180 m 時(shí)，此時(shí)的巷道底板處于原巖應(yīng)力區(qū)，在此區(qū)段內(nèi)底板的應(yīng)力整體不會(huì)發(fā)生較大的變化，當(dāng)沿煤層距離為35 m～79 m 時(shí)，此時(shí)的巷道底板處于應(yīng)力降低區(qū)，在此區(qū)段內(nèi)底板的應(yīng)力值明顯低于原巖應(yīng)力，隨著煤層走向距離的增大，巷道底板的圍巖應(yīng)力呈現(xiàn)逐步降低的趨勢(shì)，當(dāng)沿煤層距離為79 m～99 m 時(shí)，此時(shí)巷道處于應(yīng)力的升高區(qū)，在此區(qū)段內(nèi)巷道底板的應(yīng)力明顯升高，底板的最大應(yīng)力值為19.2 MPa，出現(xiàn)應(yīng)力集中的位置為距離交界處10 m 即煤層走向89 m 的位置，在此位置應(yīng)力集中系數(shù)為2.4。根據(jù)分析可以看出，在進(jìn)行下煤層巷道布置時(shí)，盡量避開應(yīng)力升高區(qū)，同時(shí)當(dāng)巷道布置在原巖應(yīng)力區(qū)時(shí)，此時(shí)會(huì)造成一定的煤柱浪費(fèi)，所以在進(jìn)行下煤層巷道布置時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡量布置在應(yīng)力降低區(qū)[4]。

3 巷道變形分析

利用數(shù)值模擬軟件對(duì)下煤層巷道圍巖變形進(jìn)行分析，給出巷道圍巖變形隨工作面距離變化曲線，如圖3 所示。

圖3 巷道圍巖變形量曲線

從圖3 可以看出，隨著距離工作面距離的增大，此時(shí)的巷道頂板下沉量及底板的底鼓量呈現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì)，當(dāng)在工作面前方60 m 時(shí)此時(shí)的頂板下沉量及底板的底鼓量均為最小值，最小值分別為82 mm和108 mm，而在工作面后100 m 的位置，巷道頂板下沉量及底板的底鼓量均為最大值，最大值為734 mm和740 mm，而分析兩幫的變形量可以看出，兩幫的變形量隨距工作面距離呈現(xiàn)的趨勢(shì)相同，均為逐步增大，在工作面前方60 m 時(shí)，此時(shí)的兩幫移近量最小為41 mm，而在工作面后100 m 的位置兩幫移近量出現(xiàn)最大值為67 mm，可以看出，頂板及底板的變形量較大，而巷道兩幫位置的變形量相對(duì)較小，所以在進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)對(duì)頂板及底板進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

在8103 工作面原有的支護(hù)方式由于受到上工作面回采和區(qū)段煤柱的應(yīng)力集中的雙重影響，使得巷道圍巖變形嚴(yán)重，同時(shí)由于原巷道支護(hù)方法較為單一，使得巷道的變形未得到有效的控制，錨桿、錨索的預(yù)應(yīng)力不足也同樣是巷道圍巖變形大的主要原因，所以為了降低巷道圍巖變形，所以對(duì)原有支護(hù)方案進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)[5]。

分別制定3 種方案，方案一為在原有錨索支護(hù)的基礎(chǔ)上補(bǔ)強(qiáng)4 根錨索，形成2×2×2 結(jié)構(gòu)，錨索的間排距為2.4 m×0.8 m，同時(shí)采用一梁二柱進(jìn)行輔助加強(qiáng)；方案二為在原有錨索支護(hù)的基礎(chǔ)上加固6 根錨索，形成3×3×3 結(jié)構(gòu)，錨索的間排距為1.6 m×0.8 m，同時(shí)采用一梁二柱進(jìn)行輔助加強(qiáng)；方案三為在原有錨索支護(hù)的基礎(chǔ)上加固5 根錨索，形成3×2×3 結(jié)構(gòu)，錨索的間排距為1.6 m×0.8 m 和2.4 m×0.8 m 兩種，同樣采用一梁二柱進(jìn)行輔助加強(qiáng)。利用模擬研究對(duì)3 種方案下的巷道變形量進(jìn)行分析，給出3 種情況下的圍巖變形情況，如圖4 所示。

圖4 支護(hù)方案對(duì)比圖

從圖4 可以看出，當(dāng)采用方案一時(shí)，此時(shí)的巷道頂板由于采用了錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，使得巷道頂板的下沉量得到了有效的控制，此時(shí)巷道頂板最大下沉量為241 mm，巷道的底鼓量為742 mm，底鼓量較大，而兩幫的移近量為161.1 mm；方案二的巷道頂板、底板及兩幫的變形量均小于方案一，具體數(shù)值分別為160 mm、500 mm、64.7 mm，較方案一分別減小了46.1%、47.5%和23.3%，方案三與方案二類似，巷道變形量均有了大幅度的降低，巷道頂板、底板及兩幫的變形量分別為165 mm、503 mm、73 mm。從以上分析可以看出，當(dāng)選定方案三時(shí)，此時(shí)的巷道支護(hù)成本有了一定的降低，且支護(hù)效果為三種支護(hù)方案中的最佳，所以最佳支護(hù)方案為在原有錨索支護(hù)的基礎(chǔ)上加固5 根錨索，形成3×2×3 結(jié)構(gòu)，錨索的間排距為1.6 m×0.8 m 和2.4 m×0.8 m 兩種，同時(shí)采用一梁二柱進(jìn)行輔助加強(qiáng)。

4 結(jié)論

1）遼源礦8103 工作面上煤層工作面進(jìn)行開采時(shí)，支撐壓力經(jīng)過煤層逐步傳遞至巷道的底板，此時(shí)沿著煤層的方向，巷道底板整體呈現(xiàn)出三個(gè)階段，分別為應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力上升區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)。

2）通過模擬分析可以看出頂板及底板的變形量較大，兩幫位置的變形量相對(duì)較小，所以在進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)對(duì)頂板及底板進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

3）利用數(shù)值模擬對(duì)三種補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案下的圍巖變形量進(jìn)行分析，確定了在原有錨索支護(hù)的基礎(chǔ)上加固5 根錨索，形成3×2×3 結(jié)構(gòu)，錨索的間排距為1.6 m×0.8 m 和2.4 m×0.8 m 兩種，同時(shí)采用一梁二柱進(jìn)行輔助加強(qiáng)的支護(hù)方案。