刘福平,李泳臻

(1.山西焦煤西山煤电股份有限公司马兰矿, 山西 古交市 030205;2.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院, 北京 100083)

1 工程概况

山西省某煤矿现开采的2#煤层位于02#煤层下方约7 m处,属于典型的近距离煤层[1]。02#煤层、2#煤层的平均厚度约为2 m,属于近水平煤层,两煤层间多为泥岩和细砂岩,02#煤层顶板为粉砂质泥岩、2#煤层底板为粉砂岩。煤层顶底板岩性见表1。

该矿井属于高瓦斯矿井[2],因此,矿山计划在上组煤(02#煤层)开采前,于下组煤(2#煤层)布置瓦斯底抽巷。该瓦斯底抽巷既要为上组煤提供瓦斯抽采服务,也要在开采下组煤时作为回采巷道使用,因此,该巷道具有功能多、任务重、服务周期长的特点,其安全稳定性对矿山生产十分重要。

________________表1 煤层顶底板岩性________________

如图1所示,该瓦斯底抽巷内错于下方采煤工作面20 m布置,相比于一般的回采巷道,该巷道在服务期限内要经历上方7 m处的煤层回采环节,上组煤回采引起的超前支承压力将严重影响下组煤既有巷道的稳定性。

图1 瓦斯底抽巷的布置

以往的开采经验表明,该巷道若在上组煤开采过程中发生失稳破坏而整体报废,则下组煤回采前将需要重新布置回采巷道,受已掘进的瓦斯底抽巷的应力影响,新巷道距离煤柱的内错距将进一步增大,这一方面增加了重新采掘一条巷道的时间和经济成本,另一方面也会增加下组煤的煤柱宽度,造成资源浪费。

近些年,国内支护技术有了长足的进展[3],通过支护的手段为该瓦斯底抽巷设计合理的支护方案,对于巷道稳定性、采区围岩稳定性、节约时间和经济成本以及采区资源的合理利用均具有重要的作用。

2 数值模型的建立与支护设计

2.1 数值模型的建立

为研究影响巷道稳定性的主要因素,确定巷道支护方案的合理性,本文中通过FLAC3D数值模拟软件[4-5]对无支护和支护方案下的巷道应力、应变及塑性区场进行了分析与对比,为支护方案的可行性提供依据。

数值模型尺寸为x×y×z=40 m×40 m×50 m,模型各岩层按照现场实际情况进行布置,根据地应力测试数据,在模型上界面施加10 MPa的竖向均布荷载,在模型各侧面施加8 MPa的水平均布荷载。模型底板固定,侧向限制水平位移,但不限制竖向位移。围岩各岩层的力学参数见表2,模型及初始应力平衡状态见图2。

表2 岩层力学参数

图2 数值模型及应力平衡

近距离煤层下组煤巷道稳定性研究的数值模型共计38 640个单元,42 441个节点。施加初始应力后,围岩整体的应力分布较为均匀,2#煤层处垂直应力约为10 MPa,与现场实际情况较为吻合,为后续的数值模拟研究提供了保障。

2.2 巷道围岩应力环境分析

巷道支护方案的设计一般以巷道围岩受力环境为依据,在巷道围岩应力集中区加强支护强度,在低应力区合理布置支护,避免支护材料过度使用而造成浪费。

因此,在支护方案设计前,针对巷道掘进期间、回采期间的应力环境进行分析,并通过对围岩应力环境的研究,提出针对性的支护方案,保证巷道的稳定性。

数值模拟中,对2#煤层巷道位置处进行了开挖,巷道掘进期间的围岩应力场如图3所示。

图3 掘进期间的巷道围岩应力分布

如图3(a)所示,在没有支护的条件下,巷道掘进后,巷道顶底板出现了垂直应力卸压区,垂直应力的主要集中区在巷道帮部1～2 m的范围内,最大垂直应力达到17.04 MPa,垂直应力集中系数达到1.7左右;同样,因为巷道的采掘,巷道顶底板处有较为明显的水平应力集中区,位于顶底板1～4 m的范围,最大水平应力达到12.79 MPa,水平应力集中系数达1.6左右。

由此可以看出,巷道围岩的支护重点应围绕巷道围岩的应力集中区,即巷道的帮部及顶板。但此次研究的近距离煤层巷道区别于一般的回采巷道,巷道受到了上组煤的采动影响,因此,研究采动对巷道围岩应力环境的影响十分重要。

上组煤开采过程中,由于应力卸载的原因,工作面后方的下组煤巷道多处于垂直应力卸载区,围岩应力集中程度较小。而工作面前方的下组煤巷道受到超前支承压力的影响,时常出现破坏失稳的情况,因此,研究中截取了上组煤采动影响下工作面前方某截面处的下组煤巷道应力分布情况,如图4所示。

图4 上组煤回采期间巷道围岩应力分布

如图4所示,采动影响下由于工作面超前支承压力的影响,巷道浅部围岩各处应力均有所提升,巷道稳定性势必会受到一定的影响。如图4(a)所示,在采动影响下,巷道帮部围岩的最大垂直应力提升至24.07 MPa,应力集中系数达到了2.41;巷道围岩的水平应力最大达到12.21 MPa。这表明在回采影响下,工作面前方的下组煤巷道围岩水平应力变化并不大,但垂直应力会有明显提升,回采前后巷道围岩的主要应力集中区在巷道顶底板和两帮。

2.3 支护设计

巷道断面为矩形,尺寸为巷宽4000 mm×巷高2600 mm。根据巷道断面尺寸、现场材料和矿压情况,设计的支护方案如图5所示。巷道顶板采用Φ20 mm×2000 mm的螺纹钢锚杆,每排5根对称布置于顶板,锚杆间排距为900 mm×1000 mm;两帮采用Φ20 mm×2000 mm的螺纹钢锚杆,每排2根,间排距为1000 mm×1000 mm,每根锚杆配以2支锚固剂,并配以钢带托盘固定。锚索采用Φ 17.8 mm×5200 mm的锚索,每两排布置2根,间排距为1800 mm×2000 mm。固定托盘前在巷道表面铺设了钢带和钢筋网。

图5 巷道支护方案(单位:mm)

3 掘进期间巷道稳定性分析

巷道围岩变形以及塑性破坏情况是支护效果最直接的表现,因此提取了无支护与有支护条件下掘进期间的巷道变形情况与塑性区分布情况,以分析支护效果,如图6至图8所示。

图6 巷道围岩竖向位移

图8 巷道围岩塑性区分布

由图6可以看出,巷道掘进期间无支护情况下巷道顶板变形为19.72 mm,支护条件下巷道顶板变形为19.35 mm,巷道整体变形量较小。从图7中可以看出,巷道掘进期间无支护情况下巷道两帮收敛量为43.30 mm,支护条件下巷道两帮收敛量为39.82 mm,变形量降低了8.03%。由图8可以看出,在支护条件下的巷道顶底板塑性区较无支护条件时得到了明显改善,塑性区范围也明显缩小,这表明该支护方案在掘进区间对顶底板塑性变形起到了一定的控制。

图7 巷道围岩水平位移

综上所述,设计方案对掘进期间巷道的变形和塑性区控制具有一定的作用,可有效地控制巷道顶底板和两帮的变形收敛。

4 回采期间巷道稳定性分析

该巷道受到采动影响,巷道变形最严重的时期并非掘进期间,能否控制巷道在采动影响下的变形破坏才是支护的关键所在。因此,提取巷道回采期间,工作面前方某截面在无支护与有支护条件下的巷道变形情况与塑性区分布情况,如图9至图11所示。

由图9可以看出,回采期间无支护情况下的巷道顶板变形为52.74 mm,有支护条件下的巷道顶板变形为52.48 mm,可见上组煤回采对下位巷道的影响较大。由图10可以看出,巷道掘进期间无支护情况下巷道两帮收敛量为75.54 mm,有支护条件下的巷道两帮收敛量为72.03 mm,变形降低4.65%。由图11可以看出,回采影响下巷道围岩塑性区发展迅速,有支护条件下的巷道顶底板塑性区较无支护时有明显缩小,这表明该支护方案有效地控制了巷道在上组煤回采过程中的围岩塑性破坏。

图9 回采后巷道围岩竖向位移

图10 回采后巷道围岩水平位移

图11 回采后巷道围岩塑性区分布

综上可以看出,上组煤的回采对下组煤中的既有巷道的变形破坏影响极大,支护措施可以有效地改善巷道变形和塑性破坏。

5 结论

调查发现山西省某矿瓦斯底抽巷在近距离煤层开采过程中,上组煤的回采会对下组煤中的既有巷道造成严重的塑性破坏,从而出现巷道围岩破碎、变形加剧的现象。

本文通过数值模拟软件FLAC3D研究了近距离煤层下组煤瓦斯底抽巷在掘进期间、上组煤回采期间巷道围岩的应力环境及回采对巷道应力环境的影响,以此为依据设计了合理的巷道支护方案。数值模拟结果表明,实施支护措施后,在巷道掘进期间、上组煤回采期间,巷道的竖向位移、水平位移均有明显减小,巷道浅部围岩塑性区发育情况也得到了明显改善。