极近距离煤层采空区下巷道布置数值模拟

王 强

(大同煤矿集团有限责任公司技术中心,山西大同 037000)

极近距离煤层在我国分布广泛,我国各大矿区占有很大比例[1]。由于当煤层距离较近时,通常采用下行开采方法[2],这就必然导致下层煤受到上层采煤工作面开采应力与上层煤区段煤柱应力集中的影响[3]。目前国内对极近距离煤层的开采进行了经验性、实践性研究[4,5,6],姚少武[7]通过运用数值模拟试验,对下煤层工作面回采巷道稳定性造成影响的应力分布进行了研究；于洋等[8]研究了极近距离上位煤层采空区下底板岩层的应力分布规律及下位煤层巷道变形破坏特征,合理解释了上层煤柱对下煤层巷道的应力还应考虑水平应力对其的影响及近距离煤层煤柱下回采巷道布置方式进行研究。本文分析了煤柱底板应力分布及对下覆煤层巷道的影响,运用FLAC3D模拟上层煤回采后应力情况及回采巷道不同布置方式的塑性区破坏,通过塑性区直观了解围岩破坏情况。

1 工程概况

大同矿区某矿石炭系3#煤层的厚度约为4 m,5#煤层的厚度约为11 m。3#煤层与5#煤层的间距为3 m～6 m,二者为极近距离煤层,上覆3#煤层301 盘区早已开采完毕(2002年～2004年),留有煤柱。

2 3#层煤柱集中应力影响范围及影响程度数值计算

2.1 模拟内容

根据实际工程中的煤层开采过程,数值模拟的计算过程如下：

(1)根据实际煤层开采顺序：回采3#煤层→形成上覆煤柱→计算至平衡→研究煤柱下方岩体应力分布规律,为确定5#煤层巷道合理布置位置提供依据；

(2)按内错0 m(重叠布置)、内错10 m、内错15 m和外错10 m 四种布置方式,开挖5#煤层5107 巷道,计算至平衡,研究不同布置方式下巷道的破坏情况,确定5#煤层巷道合理的布置位置。

2.2 模型的建立

以3#层煤柱中线为Z轴,5#煤层底面为X轴,工作面走向为Y 轴,建立某矿近距离煤层巷道合理布置研究模型。本构模型采用摩尔-库伦模型,考虑到边界效应及计算的速度,模型正负X方向各取100 m,正负Z方向各取70 m,Y方向取10 m。

图1 模型横断面图

表1 3#、5#煤巷道围岩岩石物理力学参数

2.3 3#层煤柱底板中应力分布规律研究

3#煤层开采完成后,其下部岩体中,垂直应力和水平应力分布如图2和图3所示。

由图2和图3可知：

(1)3#煤层开采后,采空区下方5#煤层应力得到了很大程度的释放,垂直应力降到了4 MPa以下,绝大部分范围内,水平应力也降到了5 MPa以下。

(2) 3#煤层开采形成的煤柱承受了整个采面的原有荷载,在煤柱内部形成的较大的集中应力,以垂直应力为例,最大值达到35 MPa,对称出现在距煤柱表面7.5 m 左右处,按照自重计算,垂直原岩应力为11.25 MPa,那么煤柱应力集中系数约为3.1。

相对于水平应力,煤柱下方集中垂直应力扩散和衰减幅度较大。对应上覆煤层回采巷道下方16 m 深度位置,垂直应力为16.2 MPa,水平应力为18.5 MPa,二者相对原岩的应力集中系数分别是1.44和1.64。

图2 垂直应力分布等值线图

图3 水平应力分布等值线图

在5#煤层中,3#煤层煤柱内部应力在下部岩层沿深度和宽度方向逐渐扩展、衰减,利用fish 函数,提取应力的具体数值,得到5#煤层5107巷顶板上部0.67 m、3.47 m 和6.27 m 处,垂直应力与煤柱中心线之间的变化曲线,如图4所示。

图4 垂直应力与煤柱中心线距离的关系

在图中可以看出,垂直方向上,5#煤层内,5107 巷道顶板应力分布受竖向位置影响较小,均呈现先增加后降低的类抛物线形；在水平方向上,x=±16.0 m(即3#煤层煤柱边缘正下方)时,应力为13.83 MPa 左右,约为原岩应力的1.3 倍；x=±20.0 m 时,垂直应力约为4.8 MPa,约为原岩应力的0.5倍；随着位置远离煤柱,上述垂直应力进一步降低。也就是说,在5#层5107巷道布置时,距离3#煤层煤柱越远,围岩应力越小,对后期的巷道稳定性控制越有利,但与此同时,错距越大,5#层开采形成的煤柱的宽度越大,对厚度达到11.2 m 厚的煤层,煤柱宽度每增加1 m,造成了煤炭资源浪费量也是巨大的。

3 不同错距下5107巷破坏形态分析

根据前面的分析可知,5#层5107 巷道的布置位置最好远离3#煤层煤柱,但从资源利用的角度看,5#层煤柱越窄越好,也就是5107巷的布置要尽可能在水平距离上靠近3#层煤柱。按内错15 m、10 m、0 m(重叠布置)和外错10 m四种工况,开挖5#层5107巷,以巷道的破坏范围为主要指标,对四种布置方案进行分析评价。

图5 5107巷不同布置位置围岩破坏情况

由图5可知：

(1)5#层5107巷距3#层煤柱距离较远时,巷道破坏能保持较好的稳定性,如图5(a)和图5(b)所示,内错距离为15 m 时,巷道开挖稳定后,方案一能很好的控制较小围岩应力环境中的围岩破坏问题,巷道没发生塑性破坏；内错距离为10 m时,由于应力的增加,巷道煤柱侧顶板和帮出现了部分剪切破坏,但破坏厚度均在1.25 m以下,围岩稳定性较好。

(2)重叠布置时,由于巷道所在区域应力变化幅度大,且量值较高,巷道破坏较为严重,在方位上,破坏面积主要分布在靠近3#层煤柱的顶板和顶角,最大破坏厚度接近7.0 m。

(3)外错10 m 布置时,在25 MPa 以上的巨大垂直应力作用下,巷道破坏严重,沿巷道对角线方向逐渐向上发展,破坏范围贯通,同时,左帮、底板等煤岩体,也均有不同程度的破坏,顶板最大下沉量达到1.7 m,破坏严重。

综上所述,5#层5107 巷与3#层煤柱内错距离不小于10 m时,围岩稳定性较易得到控制；重叠布置时,巷道破坏范围较大,通过对支护方案进行优化设计,控制该种工况下的巷道稳定性难度不大；外错布置时,5107巷均在3#煤层煤柱形成的高应力区,层间破坏范围相互贯通,支护十分困难。

4 结论

(1)3#层8107与8105工作面之间煤柱仍然处于弹性压缩力学状态,对上覆压力仍具有良好的传导放大功能,放大系数为3.1。煤柱下方仍然存在应力集中区,其沿深度和宽度方向逐渐扩展、衰减。

(2)3#煤层煤柱底板塑形破坏深度为3.54 m～5.08 m,5#层5107巷顶板上部约有42%(约5 m)处于上分层煤柱影响范围内,锚索锚固段应布置在煤层中,注意避开煤岩体交界面和已经破坏的炭质泥岩区。

(3)5#层5107 巷与3#层煤柱内错布置时,围岩稳定性较易得到控制；重叠布置时,巷道破坏范围较前者大,通过对支护方案进行优化设计；外错布置时,5107巷均在3#层煤柱高应力区影响范围内。

综上所述,在保证安全的前提下,可以通过对重叠布置这种形式下巷道的优化支护设计,达到以尽量小的支护成本换取尽量多的资源价值的目的。