梁曉青

（山西呂梁離石西山晉邦德煤業(yè)有限公司，山西 呂梁 033000）

引言

隨著礦井開采年限的增加，煤層開采逐步向著難開采煤層移動(dòng)。近距離煤層在我國(guó)分布較廣，由于下煤層開采受到上部煤層的制約，所以造成下煤層開采較為復(fù)雜，同時(shí)，由于上部煤層開采擾動(dòng)使得下煤層巷道圍巖變形較為嚴(yán)重，所以解決近距離煤層下煤層開采巷道變形成為了近距離煤層開采重要的課題。此前，李慶墅[1]分析了近距離煤層開采覆巖運(yùn)移特征，給出了一種全新的控制覆巖運(yùn)移的方法，不僅能夠解決現(xiàn)有煤層開采順槽內(nèi)錯(cuò)、外錯(cuò)布置的缺點(diǎn)，同時(shí)有效解決了下煤層開采巷道變形嚴(yán)重的問(wèn)題。董興迎[2]采用研究近距離煤層群采空區(qū)下煤層開采礦壓規(guī)律通過(guò)理論分析對(duì)下煤層工作面初次來(lái)壓、周期來(lái)壓步距等進(jìn)行分析，為近距離煤層采空區(qū)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究提供一定參考。本文以晉邦得礦為研究背景，通過(guò)對(duì)近距離煤層下煤層巷道穩(wěn)定性進(jìn)行研究，為近距離煤層開采提供借鑒。

1 礦井概況及模型建立

晉邦德煤礦位于呂梁市離石區(qū)西屬巴鎮(zhèn)，井田面積13.85 km2，主要開采3#、4#煤層，井田面積9.011 km2，生產(chǎn)規(guī)模1.20 Mt/a。正在開采14207 工作面，兩側(cè)工作面均已完成開采，完成14207 工作面開采后進(jìn)入14209 工作面，由于14209 工作面受到上煤層回采的影響，巷道變形較大，為了降低巷道變形，需要對(duì)巷道圍巖的變形進(jìn)行研究，為后續(xù)的支護(hù)設(shè)計(jì)提供一定的參考。

在完成上部煤層開采后，下煤層巷道的圍巖應(yīng)力重新分布，當(dāng)上部煤層進(jìn)行回采后，此時(shí)巷道的底板應(yīng)力出現(xiàn)變化使得下煤層巷道頂板處于應(yīng)力疊加區(qū)域，造成下煤層巷道頂板變形嚴(yán)重。為了研究下煤層巷道圍巖變形情況，本文選定FLAC3D 數(shù)值模擬軟件對(duì)圍巖礦壓現(xiàn)象情況進(jìn)行研究[3]。

首先進(jìn)行模型的建立，根據(jù)晉邦得礦14207 工作面實(shí)際地質(zhì)條件，建立模型長(zhǎng)、寬、高分別為240 m、200 m 和68.4 m，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，適當(dāng)將下煤層巷道進(jìn)行細(xì)化分，便于應(yīng)力云圖的清晰呈現(xiàn)，劃分完成后共有174 900 個(gè)單元，節(jié)點(diǎn)共有184 518 個(gè)。對(duì)模型上端部施加覆巖自重，根據(jù)計(jì)算施加應(yīng)力為9.2 MPa，對(duì)模型的四邊進(jìn)行約束固定，限制四邊的垂直、水平方向位移。數(shù)值計(jì)算的物理模型如圖1 所示。

圖1 數(shù)值計(jì)算的物理模型示意圖

為了保證模擬計(jì)算的精確度及準(zhǔn)確性，通過(guò)力學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)煤巖的力學(xué)屬性進(jìn)行測(cè)定，再對(duì)模型進(jìn)行物理參數(shù)的設(shè)定。物理參數(shù)設(shè)定如表1 所示。

表1 煤巖物理參數(shù)參照表

2 數(shù)值模擬分析

完成巖層各參數(shù)賦值后進(jìn)行力學(xué)計(jì)算，煤層與采空區(qū)交接應(yīng)力分布云圖及底板應(yīng)力分布圖如第143頁(yè)圖2 所示。

圖2 模擬分析圖

如圖2-1 所示可以看出，煤與采空區(qū)交匯處采空區(qū)下部出現(xiàn)應(yīng)力降低現(xiàn)象，在此區(qū)域應(yīng)力值為2 MPa，明顯低于原巖應(yīng)力，而在采空區(qū)與煤交匯處的煤下方應(yīng)力出現(xiàn)集中現(xiàn)象，在煤與采空區(qū)交接位置約10 m的距離出現(xiàn)應(yīng)力最大值，最大值24 MPa，此時(shí)應(yīng)力集中系數(shù)為2.4 MPa，可以看出，在進(jìn)行下煤層巷道布置時(shí)需要將其布設(shè)在采空區(qū)與煤巖交匯處采空區(qū)的下端，同時(shí)，下煤層巷道的布設(shè)方向應(yīng)當(dāng)與上煤層巷道類似，這樣下煤層巷道的圍巖變形大的問(wèn)題才能從根本解決。

根據(jù)圖2-2 可以看出，上煤層巷道隨煤層走向可分為3 個(gè)階段，分別為原巖應(yīng)力區(qū)、應(yīng)力降低區(qū)及應(yīng)力升高區(qū)，在沿煤層傾向0 m～35 m 的區(qū)段是屬于原巖應(yīng)力區(qū)，沿煤層傾向35 m～79 m的區(qū)段是屬于應(yīng)力降低區(qū)，在此區(qū)段內(nèi)底板的應(yīng)力值小于原巖應(yīng)力，沿煤層傾向79 m～99 m的區(qū)段屬于應(yīng)力升高區(qū)，在此區(qū)段內(nèi)應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，最大的應(yīng)力集中系數(shù)為2.4，沿煤層傾向99 m～180 m的區(qū)段屬于原巖應(yīng)力區(qū)，可以看出，在進(jìn)行下煤層巷道布置時(shí)，應(yīng)當(dāng)避開c 區(qū)段，使得下煤層巷道布置于b 區(qū)段。

在進(jìn)行上部煤層回采時(shí)，對(duì)下煤層巷道的圍巖變形情況進(jìn)行分析，在巷道沿軸線位置分別布置測(cè)站，測(cè)站每10 m一個(gè)，共計(jì)21 個(gè)，同時(shí)，在每個(gè)測(cè)站分別布設(shè)頂板、底板、兩幫位移監(jiān)測(cè)器，每個(gè)斷面布置12個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置分別為對(duì)角（測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)3）、中線（測(cè)點(diǎn)2），分別監(jiān)測(cè)巷道的頂?shù)装寮皟蓭妥冃危捎跍y(cè)點(diǎn)較多，所以本文僅展示回采距離工作面40 m 的圍巖變形曲線，如圖3 所示。

圖3 巷道圍巖變形曲線

根據(jù)研究可知，隨著工作面的不斷推進(jìn)，下煤層巷道的變形量逐步變大，當(dāng)回采至40 m 時(shí)，此時(shí)下煤層巷道變形量最大，頂板的下沉量達(dá)到452 mm。底板的底鼓量增大至608 mm，兩幫的移近量最大值達(dá)到92 mm，同時(shí)從圖3 中可以看出，巷道斷面的變形大致呈現(xiàn)出對(duì)稱的特點(diǎn)，巷道斷面軸線為巷道中線位置，在測(cè)點(diǎn)2 位置時(shí)巷道變形量最大，而測(cè)點(diǎn)1 與測(cè)點(diǎn)3 的變形量幾乎類似，同時(shí)，觀察巷道圍巖變形量隨巷道軸向方向距離的增加呈現(xiàn)先減小后平穩(wěn)的趨勢(shì)。根據(jù)模擬分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工作面回采距離為0 m～60 m的范圍時(shí)，此時(shí)的下煤層巷道變形量最大，而當(dāng)工作面回采大于60 m時(shí)，此時(shí)巷道變形量較小，巷道較為穩(wěn)定，回采對(duì)下煤層巷道穩(wěn)定性影響較小。

對(duì)距離工作面不同距離下巷道圍巖變形進(jìn)行分析，位移變形曲線如圖4 所示。

圖4 巷道表面位移變形曲線

如圖4 所示可以看出，當(dāng)在工作面前方60 m 時(shí)，此時(shí)的巷道頂板下沉量為80 mm，底板底鼓量為116 mm，左幫右?guī)鸵平繛?1 mm，此時(shí)巷道底板的底鼓量大于巷道頂板的變形量，但兩者均較小，所以在工作面前方60 m 的范圍時(shí)巷道不受回采工作面影響，當(dāng)在工作面前30 m 時(shí)，此時(shí)的巷道頂板下沉量為150 mm，底板底鼓量為215 mm，兩幫移近量為45 mm，在此階段內(nèi)的巷道變形大于工作面前方60 m 的變形量，在工作面后方30 m 時(shí)，此時(shí)的巷道頂板下沉量為595 m，底板底鼓量為711 mm，兩幫移近量為63 mm，由于水平應(yīng)力的剪切作用使得變形量快速增大，在工作面后方60 m 時(shí)，此時(shí)的巷道頂板下沉量為721 m，底板底鼓量為734 mm，兩幫移近量為67 mm，在此范圍內(nèi)的變形量均為最大值。綜上所述可以看出，隨著距離工作距離的增加，巷道頂板、底板、兩幫變形量均呈現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì)。

3 結(jié)論

晉邦得礦為控制巷道圍巖變形嚴(yán)重問(wèn)題，通過(guò)對(duì)煤層與采空區(qū)交接應(yīng)力分布及底板應(yīng)力分布進(jìn)行模擬分析，確定了下煤層巷道的合理布置范圍。根據(jù)模擬分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)上煤層工作面回采距離為0 m～60 m的范圍時(shí)，下煤層巷道變形量最大，而當(dāng)工作面回采大于60 m 時(shí)，巷道變形量較小，巷道較為穩(wěn)定。研究發(fā)現(xiàn)，隨著距離工作距離的增加，巷道頂板、底板、兩幫變形量均呈現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì)。