采动影响下极近距离煤层围岩稳定性分析

贾波

【摘 要】 为了研究极近距离煤层开采时对巷道的顶板下沉和巷道的围岩变形的影响，本文以某矿为研究背景，通过理论计算和数值模拟相结合的方式对上覆岩层的破坏形式作出了一定的研究，得到冒落带和裂隙带在某矿的高度，并研究了巷道开采对巷道围岩的应力分布研究，为矿山的支护提供了一定的理论指导。

【关键词】 极近距离;数值模拟;理论计算;围岩变形

【中图分类号】 TD325.3 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2020）03-0015-02 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

随着我国使用煤炭的时间越来越长，赋存条件较为复杂的煤层也逐步得到了开采，在开采过程中众多的问题也就纷纷冒了出来。极近距离的煤层开采问题已经越来越受到了人们的关注。本文以某矿为研究背景通过理论分析和数值模拟研究对矿山的极近距离煤层作出了一定的研究，为矿山极近距离煤层开采做出了一定的指导。

1工程概况

矿区二采区位于井田南部，呈东西布置。其中10#和11#煤层共7.4m，煤层性质稳定，平均倾角为7°，岩层柱状图如图1所示。

从岩层分布可以看出，合并层的煤层底板为泥岩，在整个生产过程中，应注意顶板淋水问题。从生产经验来看，9#煤层已经采完，其巷道布置方式与10#和11#煤层呈现垂直状态，为了保证安全生产，9#煤层留设有宽度不一致的区段煤柱。由于9#煤层开采顶板的垮落，使得10#和11#煤层顶板受力过大，变形严重，给支护带来了困难，区段煤柱的存在导致10#和11#煤层顶板受力不均匀，造成开采困难。

2上覆岩层的破坏研究

矿山的上覆岩层一般由细砂岩、中砂岩和泥岩等组成，通常在开采过程中，采空区和采场会形成三带，分别为冒落带、弯曲下沉带和裂隙带。而相应的每个带都有着自己的特性。冒落带是由于煤矿的开采破坏了原有的地应力平衡，当采煤工作完成后，大面积的上覆岩层会丧失原有的支撑面，从而发生断裂、冒落等情况并将采空区进行填充，填充后的岩体又会对上部的岩层产生一定的支护作用，避免了上覆岩层的进一步垮落，所以此类区域的裂隙发育完好，有较好的通透性。裂隙带是存在于冒落带的上方，由于冒落带断裂冒落后，在巷道的上部又重新形成了新的上覆岩层，冒落带的垮落形成的裂隙带的岩层又会承受上部岩层的载荷，出现大量的裂隙，出现一定的连通性但岩层不会垮落。弯曲下沉带处于裂隙带的上部，由于力学环境发生了改变岩层发生大面积的弯曲和下沉，但内部岩层无明显裂隙产生，且在岩层的内部可能会出现离层等情况。不同的地质条件会发生不同的破坏情况，所以破坏机理的研究也就成為了重中之重。一般来说上覆岩层的破坏受到采高、上覆岩层的岩性、采煤的速度和岩层的原生裂隙的多少等影响。采区和采空区形成的三带如图1所示。

为了更好地确定上覆岩层的垮落带与裂隙带的高度，采用理论计算公式对冒落带和裂隙带进行一定的分析。

冒落带的高度理论计算公式如下：

Ha=

公式中：Ha为上覆岩层冒落带厚度;M为煤层的开采高度;W为采场顶板的下降量;K为冒落带垮落的岩石膨胀系数;α为煤层的倾角。

将本矿的数据带入到公式中可得，煤矿开采时的理论冒落带高度为8.4m。而裂隙带的理论计算公式与之前的计算公式有所不同，不同的岩层属性会对裂隙带的理论值计算产生一定的影响，根据矿山的监测数据可以得到矿山的岩层为中等硬度的岩层，所以可以按照如下公式进行计算：

Hb=±5.6

Hd=20+10

根据公式计算可知上覆岩层的裂隙带的高度为40m左右。在确定了上覆岩层的冒落带和裂隙带的高度后，利用数值模拟软件对开采过程中的顶板位移和变形量进行进一步的分析和研究，更好地掌握顶板随着开采扰动的应力分布情况。

利用FLAC3D数值模拟软件进行数值模拟，模拟中10#和11#煤层的平均厚度为7.4m，煤层埋深按400m计算，整个模型的尺寸为320m×210m×100m，设置模型四个侧面为水平位移边界，根据巷道原形建立总体模型，再在总体模型的基础上建立子模型，子模型的边界条件由总体模型的输出自动施加。模型中煤、岩层采用八节点等参数单元划分网格，模型共划分402135个单元，421025个节点，模型模拟图如图2所示。

从图2可以看出，最上面的岩层分布层的应力最大，约为7MPa左右，应力云图呈现出对称分布的状态，以上覆岩层的中点的垂线为对称轴，随着距离中点的距离逐步增大，岩层受到的载荷应力先呈现出不变的趋势后逐步减小，冒落带和裂隙带的宽度分别为10m和42m，图中红色的部分为数值模拟模型设置的冒落带，蓝色的部分设置为上覆岩层的裂隙带，其余颜色为冒落带与裂隙带的接触位置，最终的设置为冒落带高度10.2m，上覆岩层的裂隙带的高度为42.9m。支护时应当充分将俩种模式的破坏计算进去，最终达到较好的支护效果。

3下煤层开采对巷道围岩影响研究

在进行下煤层的稳定性分析时，发现随着开采工作的不断推进，采空区的面积也就越来越大，采空区的体积越大，周围岩石的力学特性也会发生一定的改变，随着围岩和顶板的力学特性的改变使得岩层处于反复的应力加载与应力卸载过程中，更加加快了岩层的断裂和垮落。下煤层开采后围岩的模拟云图如图3所示。

根据图3可以看出，水平方向的应力图的应力最大值出现在中部附近，最大值的压应力为11MPa左右，最大的拉应力为6.8MPa左右，最大的应力值分布呈现出对称性，以巷道的中心垂向为对称轴，围岩的大部分区域应力值集中在2～3MPa左右，且均为压应力，再从围岩受到的来自Z方向的载荷可以看出，围岩的最大拉应力为6.6MPa左右，最大的压应力为19MPa，最大压应力出现的范围同样在巷道的两端部位，云图呈现出对称分布，以巷道的中心为对称轴，巷道的上端部和下端部分别呈现出拉应力，其余部位均为压应力，且拉应力大致的分布范围均在10MPa附近，可以看出围岩的垂向应力明显高于围岩的水平应力，所以围岩的变形和破坏大多源自围岩的竖直方向的应力载荷，在进行支护工作时应当充分考虑到围岩的竖直方向应力的解决可以有效地减少围岩的大变形问题。

4结论

本文根据理论公式计算得出了某矿在极近距离开采下上覆岩层的裂隙带高度为40m左右，影响到下覆煤层的安全开采。

根据数值模拟的计算得到了数值模拟下的冒落带高度为10.2m，上覆岩层裂隙带为43m左右，由于和理论计算的高度差值不大，所以选取数值模拟计算结果作为支护的参数。

根据数值模拟对巷道的围压应力分布做出了一定的研究，并得到了水平方向的最大压应力为11MPa，竖直方向的最大压应力为19MPa。

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