近距离采空区下巷道围岩变形规律

刘 波

(霍州煤电集团河津薛虎沟煤业有限责任公司，山西 霍州 031400)

0 引言

近年来,随着我国煤炭资源结构的不断优化，对煤炭资源的依赖程度逐步降低，但其仍是我国目前一次能源消耗中最重要的能源。近距离煤层在我国分布较为广泛，其储量及可采量极为丰富，但在近距离煤层开采时，先开采煤层会对后开采煤层造成不利影响，所以在进行近距离下煤层开采时极易出现顶板破坏，底板支护难等问题[1-3]。为了解决近距离煤层开采过程中的难题，李国栋等[4]为保证近距离煤层采空区下煤层巷道的稳定性，提出当煤层间距大于5 m时采用锚杆、金属网、梯子梁以及锚索相结合的支护方式。而层间距小于5 m时，通过降低锚索长度且加大上覆岩采空区煤柱侧巷帮锚杆数量实现巷道支护，通过现场实践验证了支护方案的可行性与优越性。为此，以薛虎沟煤矿为研究背景，通过理论分析及数值模拟软件对近距离下煤层巷道围岩的变形进行分析，为下煤层巷道支护提供参考。

1 矿井概况及理论分析

1.1 矿井概况

薛虎沟煤矿位于山西省河津市下化乡陈家岭村北，井田占地面积约23.8 km2，西北走向6.6 km，南北平均宽度约3.6 km，薛虎沟煤矿年设计生产能力为90万t/年，矿区总面积23.8 km2，主采煤层为8号和9号煤层，2种煤层的厚度均值分别为3.1 m和2.7 m，8号、9号煤层的煤层倾角平均值均为3°，29204工作面的标高为+860 m，工作面的埋深为270 m，煤层结构较为稳定，属于稳定煤层，煤层的平均间距为4.3 m，属于近距离煤层。29204工作面主采煤层为9号煤层，巷道的布置沿着28204采空区的底板进行布设，由于上煤层工作面回采的影响，使得29204工作面顶板破碎严重，巷道煤层的开采面临较大的安全问题，因此必须对下煤层巷道变形情况进行分析，便于巷道支护方案的设计，从而提升巷道的掘进效率，保证巷道的安全。

1.2 理论分析

分析下煤层巷道顶板破坏情况首先需要对上煤层底板的破坏进行分析[5-7]。上煤层底板的损伤破坏深度可以根据式(1)得出

(1)

式中，β为岩石的节理发育系数，取0.4；Rc为岩石的单轴抗压强度，MPa；L为工作面长度，m；H为采场的埋深，m；λ为覆岩的容重，kN/m3。根据实际地质情况将各参数值进行代入，经过计算可得上煤层底板的破坏深度为3.49 m。薛虎沟煤矿8号和9号煤层平均间距为4.3 m。可以看出煤层间的底板大面积破坏，但未完全破坏，存在部分完整的岩层。

2 数值模拟

2.1 模型建立

对近距离煤层采空区下煤层巷道围岩的变形特征进行分析，根据薛虎沟煤矿地质条件，首先建立数值模型。采用 FLAC3D软件计算，在模型建立时考虑到煤层的倾角均较小，所以本次模拟简化为近水平煤层，同时为了避免出现边界效应，在工作面外侧增加30 m的边界长度，建立模型为110 m×5 m×45 m(长×宽×高)。模型的网格划分在确保模拟精度的基础上尽量粗划分，从而实现节省模拟时间的作用，完成模型划分后对模型的边界条件进行设定，固定模型左右及下端位移，设定为固定约束，在模型的上端施加覆岩自重6 MPa的均布载荷。完成外部荷载及约束设定后，对岩层的力学属性进行设定[8-10]。具体岩层物理参数见表1。

表1 煤层及岩层力学参数

2.2 模拟计算

完成模型的参数设定后，选定摩尔-库伦模型为本构模型，完成模型建立后，对模型进行计算，模拟的开挖过程可以分为地应力平衡—上煤层开采—平衡—下煤层巷道开挖—平衡稳定。

2.2.1 上煤层开采围岩垂直应力分布

为了研究巷道围岩变形情况，在上煤层底板及下煤层顶板位置分别布置应力监测线，上煤层开采后围岩垂直应力分布云图如图1所示。从图1可以看出，随着上煤层工作面的开采，此时上煤层顶板覆岩发生破坏，围岩应力重新分布，顶板的应力逐步向着回采煤柱转移，在煤柱侧形成应力集中支撑压力，随着采空区顶板的破坏，此时巷道逐步区域稳定，采空区内部由于顶板垮落充填稳定性得到较大幅度提升，在距离采空区实体煤侧一定距离后围岩的应力逐步恢复为原岩应力。在实体煤柱侧垂直应力为6.7 MPa，而在深入煤体位置应力峰值为17.2 MPa，应力集中系数为2.4。

图1 上煤层开采围岩垂直应力分布云图Fig.1 Vertical stress distribution of surrounding rock during mining of upper coal seam

2.2.2 不同内错距离下巷道围岩应力分布

对9号煤层巷道布设不同位置时下煤层巷道围岩变形进行分析，下煤层巷道布设分别设定为内错距离10 m、20 m、30 m、40 m，巷道围岩的应力分布如图2所示。可以看出，当下煤层巷道与上煤层内错距离为10 m时，此时下煤层巷道处于应力降低区，此时巷道的应力值明显小于周围岩层的应力，随着巷道的掘进，巷道顶、底板及两帮的主应力向着煤岩侧转移，当内错距离为10 m时的巷道整体应力环境较好，最大应力值小于2 MPa，当下煤层巷道与上煤层内错距离为20 m时，此时巷道位置处于应力降低区与原岩应力区的接触位置，应力值呈现左帮大于右帮的趋势，左帮的应力最大值为8.92 MPa，右帮的应力最大值小于2 MPa；当内错距离增大至30 m时，此时下煤层巷道位于上煤层采空区矸石充填位置的下端，此时的巷道整体应力大于原岩应力，在掘进后煤体的应力有了一定幅度的增加，增加的幅度最大为4.67 MPa，此时同样呈现出右帮应力小于左帮的特性；当内错距离增大至40 m时，此时巷道位置处于上煤层采空区矸石充填影响范围，在掘进前围岩的应力大于原岩应力，掘进后巷道煤体的应力增幅最大为3.72 MPa。从以上分析可以看出，当内错距离为10 m时，巷道处于应力降低区，整体的应力环境最佳，在此位置布置下煤层巷道对于巷道整体维护十分有利[11-12]。

图2 不同内错距离下巷道围岩应力分布Fig.2 Stress distribution of roadway surrounding rock under different internal staggered distances

2.2.3 不同内错距离下巷道围岩变形

对4种内错距离下的巷道围岩变形进行分析，下煤层巷道与上煤层巷道内错距离10 m、20 m、30 m、40 m，下煤层巷道围岩变形曲线如图3所示。从图3可以看出，随着距巷道表面距离的增加，巷道围岩的整体变形呈现逐步减小的趋势，这是由于距离巷道越远，掘进扰动对围岩变形的影响越小，当下煤层巷道与上煤层巷道内错距离为10 m和20 m时，此时的巷道围岩整体变形呈现为顶板下沉量最小，右帮变形量小于左帮变形量，而当下煤层巷道与上煤层巷道内错距离为30 m和40 m时，此时的顶板下沉量变形最大，右帮变形量小于左帮变形量，出现此现象是由于上煤层开采对下煤层的扰动不同而造成的，扰动不同下煤层巷道不同位置出现不同的变形。当内错距离为30 m和40 m时，此时的巷道整体变形量明显大于内错距离10 m和20 m时的变形量，内错距离为10 m时的巷道变形量最小，此时的顶板下沉量为100 mm，两帮的移近量最大值为195 mm。综上可以看出，受到8号煤层开采的影响，在9号煤层巷道围岩不同位置出现不同的变形程度，内错距离越大巷道围岩的变形越大，且在内错距离为10 m时的巷道围岩变形最小[11-12]。

图3 不同内错距离下巷道围岩变形曲线Fig.3 Deformation curve of roadway surrounding rock under different internal staggered distances

3 结论

(1)通过理论分析结合薛虎沟煤矿实际地质情况，计算上煤层底板的破坏深度，经过计算得出上煤层底板的破坏深度为3.49 m，小于8号煤层和9号煤层间距，所以底板未完全破坏。

(2)利用数值模拟软件对不同内错距离下的围岩受力情况进行分析，发现当内错距离为10 m时，巷道处于应力降低区，整体的应力环境最佳。

(3)对不同内错距离下的围岩变形情况进行分析，发现内错距离越大巷道围岩的变形越大，当内错距离为10 m时，巷道处于应力降低区，整体的应力环境最佳，此时的顶板下沉量为100 mm，两帮的移近量最大值为195 mm。