采空区煤柱下回采巷道合理布置位置模拟分析

刘浩宇

(山西煤炭运销集团 四明山煤业有限公司，山西 高平 048400)

寺河矿二号井15#煤层位于太原组上部，煤层埋深为329～419 m，平均厚度为2.3 m，倾角为5°，产状近水平，煤层中一般含有1～2层不稳定夹矸，构造较为简单，属于稳定可采煤层。15#煤三盘区是新开拓的盘区，盘区地应力情况不清晰，且上部3#煤为小煤窑采空区，9#煤为九七盘区97301、97302采空区，3#煤和9#煤之间的层间距约为60 m，9#煤和15#煤之间的层间距约为28～30 m.

15#煤层节理裂隙较发育、煤体强度相对较软，同时考虑到15#煤层受上部3#、9#煤层开采引起的动压和煤柱集中应力等因素影响，有必要对15#煤层三盘区153301工作面回采巷道的合理布置进行研究，保证矿井安全高效生产。

1 地质力学测试

1.1 地应力测量

采用SYY-56型小孔径水压致裂地应力测量仪对寺河矿二号井15#煤层三盘区5个测点进行地应力测试，对压裂过程中的压力和时间进行实时采集，得到每个测点的水力压裂曲线，并对测试结果进行分析，见表1.

以上5个测点中，最大水平主应力大于垂直主应力的测点有4个，其中最大水平主应力最大值为12.45 MPa，最小值为7.60 MPa，绝大多数主应力量值小于10 MPa，由此判定三盘区地应力总体上以水平应力为主，属于构造应力场类型，地应力场在量值上属于低应力区。整体来看，三盘区测试区域最大水平主应力量值由东南至西北方向呈减小趋势。

1.2 围岩强度测试

采用WQCZ-56型围岩强度测试装置对巷道顶板以上及巷帮10 m范围内的岩体进行了原位强度测试，并对测试数据进行统计、分析和换算，测试结果见图1，2.

图1 顶板煤岩体强度测试结果图

图2 巷帮煤体强度测试结果图

15#煤层顶板以上10 m范围内岩层以石灰岩和细砂岩为主，岩层致密坚硬，完整性普遍较好，石灰岩平均强度为109.61 MPa，细砂岩平均强度为50.72 MPa；15#煤体完整性普遍较差，煤体强度测试探针触点强度值波动范围较大，受开挖影响，浅部煤体均产生塑性破坏，导致煤帮浅部强度值普遍小于深部，煤体强度平均值为12.33 MPa.

1.3 围岩结构窥视

采用数字全景窥视仪对地应力测试钻孔20 m的煤岩体结构进行了窥视，岩层结构图见图3. 通过分析图3得出以下结果：

15#煤层直接顶为石灰岩，厚度9～10.5 m，致密坚硬，岩层完整性普遍较好，局部存在原生微裂隙。石灰岩以上约有2 m的细砂岩，岩层致密，完整性较好。细砂岩以上为泥岩夹层，厚度约0.5 m，夹层胶结疏松，含有方解石岩脉。泥岩以上为泥质砂岩和砂质泥岩，层间普遍含有软弱夹层。单从岩层分布情况来看，顶板围岩条件较好，厚层完整的石灰岩以及以上的细砂岩能形成稳定的、承载能力较强的承载结构。

图3 巷道顶板岩层结构窥视图

2 数值模拟计算与分析

以寺河矿二号井15#煤层153301工作面地质条件为基础，采用FLAC3D软件进行模拟分析，研究寺河矿二号井9#煤层遗留煤柱下15#煤层153202巷合理布置位置。

2.1 模型建立及参数选取

数值模型采用平面应变模型，宽260 m，高70 m. 边界条件为：四周水平位移约束，上部为应力边界，底部为固定边界，上覆岩层只考虑重力，用均分分布的应力载荷取代。根据地应力测试结果和模型厚度，模型初始垂直应力施加7 MPa，水平应力5 MPa，计算模型采用摩尔-库伦模型[1]，所建立模型见图4.

图4 数值模型图

2.2 模拟方案设计

模拟过程为原岩应力平衡→9#煤采空区开挖→153202巷开挖。考虑到上部9#煤层回采后煤柱应力向底板传递，影响范围较大，结合下煤层工作面巷道开拓布置，模拟3种布置方案：方案一为153202巷与9#煤层遗留煤柱重叠布置，回采巷道受采空区影响较大；方案二为内错30 m布置，回采巷道受采空区影响较小；方案三为内错60 m布置，回采巷道基本不受采空区影响[2-4]. 具体方案见图5.

图5 数值模拟方案示意图

2.3 模拟结果分析

上部9#煤回采后煤柱及两侧垂直应力分布图见图6. 由图6可以看出：9#煤回采后，在煤柱两侧煤壁出现支撑压力峰值，形成“应力核区”，应力峰值在15.7 MPa左右，应力集中系数为2.24. 煤柱内应力集中区应力向底板传递，形成一定范围的应力梯度区，对下煤层回采巷道稳定性会产生一定的影响[5].

图6 9#煤回采后垂直应力分布云图

不同布置方式下153202巷开挖后应力场分布云图见图7. 通过对比可以看出，随着153202巷道距上煤层采空区煤柱水平距离的增加，巷道周边的应力量值和应力梯度随之降低。内错60 m布置时，巷道周边形成的应力场最有利于巷道维护。

不同布置方式下153202巷开挖后围岩垂直位移和水平位移图分别见图8，图9. 巷道围岩最大变形量见表2.

图7 不同布置方式下153202巷应力场分布图

图8 不同布置方式下153202巷垂直位移图

图9 不同布置方式下153202巷水平位移图

表2 不同布置方式下153202巷道围岩变形量表

由图5，6可以得出，由于应力场环境和顶底板岩性的不同，不同布置方式下，153202巷围岩变形量总体上表现出左帮大于右帮、底板大于顶板的特征。由表2可知，随着距上煤层煤柱边缘距离的增加，153202巷围岩变形量逐渐降低，在内错60 m布置时，巷道顶板、两帮和底板变形量最小，巷道稳定性最好。

3 现场试验与监测

基于以上数值模拟结果，结合现场条件，确定153202巷与上部采空区煤柱内错60 m布置，巷道支护方式为锚网索联合支护。采用十字布点法安设表面位移监测断面，对掘进期间200 m范围的试验段巷道变形进行监测，巷道顶底板移近量及两帮移近量变化曲线见图10. 由图10可知，巷道在整个掘进期间，顶底板移近量控制在130 mm以内，两帮移近量在100 mm以内，巷道变形量较小。从现场实测数据可以看出，内错60 m布置时，巷道没有出现明显的变形和破坏，矿压显现较缓和。

图10 巷道位移曲线图

4 结论与建议

1) 地应力测试结果表明，寺河矿二号井地应力大小总体以水平应力为主，属于构造应力场类型，地应力场在量值上属于低应力值矿井。

2) 9#煤回采后，采空区煤柱内出现应力集中，形成“应力核区”，应力集中系数达到2.24，应力集中区应力向底板传递，形成一定范围的应力梯度区，对下煤层回采巷道稳定性会产生一定的影响。

3) 数值模拟结果表明，回采巷道与上部煤层遗留煤柱内错60 m布置时，受上煤层遗留煤柱影响最小，巷道围岩应力场环境最为有利，巷道围岩稳定性更好。

4) 现场检测结果表明，掘进期间，顶底板变形量控制在130 mm以内，两帮移近量控制在100 mm以内，无明显变形和破坏，证明数值模拟结果可行。