李俊星

（太原煤氣化集團(tuán)有限公司煤焦事業(yè)管理部，山西 太原 030006）

1 地質(zhì)力學(xué)條件

1.1 煤巖層條件

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔窺視、實(shí)驗(yàn)室?guī)r石力學(xué)參數(shù)測(cè)定，結(jié)合礦方提供的綜合柱狀圖，得到爐峪口煤礦9號(hào)煤層及其頂?shù)装鍘r層的物理力學(xué)參數(shù)，見表1。該區(qū)域內(nèi)9號(hào)煤厚度為0.77～1.64m，頂板為砂質(zhì)泥巖和砂巖，底板為泥巖和粉砂巖。

1.2 地應(yīng)力條件

所研究區(qū)域9號(hào)煤層賦存比較穩(wěn)定，為近水平煤層，煤層埋深為250～300m，東西方向分布有斷層，9號(hào)煤上覆8號(hào)煤層已經(jīng)采空。受井田內(nèi)斷層影響，8號(hào)煤層工作面位置、工作面長度及工作面之間區(qū)段煤柱寬度均為不規(guī)則布置，8號(hào)煤工作面之間區(qū)段煤柱寬度為12～20m。9號(hào)煤工作面回采巷道上方可能為8號(hào)煤采空區(qū)、區(qū)段煤柱和未開采的8號(hào)煤實(shí)體煤。本區(qū)屬地壓正常區(qū)，不存在沖擊地壓危害?？紤]老采空區(qū)的影響，計(jì)算時(shí)水平應(yīng)力取垂直應(yīng)力的1.2倍。

表1 9號(hào)煤層及頂?shù)装迕簬r力學(xué)參數(shù)

1.3 開采條件

該區(qū)域9號(hào)煤層平均厚度取1.5m，工作面采用綜合機(jī)械化長壁采煤法，全部垮落法管理頂板。工作面運(yùn)輸順槽和軌道順槽均沿9號(hào)煤頂板布置，矩形斷面，掘進(jìn)斷面尺寸為4.0×2.7m，開切眼掘進(jìn)斷面尺寸為5.7×2.2m。受地質(zhì)條件影響，工作面順槽受相鄰工作面的采動(dòng)影響較小，9號(hào)煤工作面長度變化較大，工作面長度為170～200m，工作面之間區(qū)段煤柱為15m。

2 數(shù)值計(jì)算方法

數(shù)值分析軟件FLAC3D是基于拉格拉日差分方法的顯示有限差分計(jì)算程序，能很好地模擬各種地質(zhì)材料在達(dá)到屈服或強(qiáng)度極限時(shí)發(fā)生的塑性流動(dòng)的力學(xué)行為或彈塑性破壞，分析漸進(jìn)破壞和失穩(wěn)，特別適用于模擬地下巷道以及硐室的開挖和圍巖的屈服破壞以及受力情況的模擬計(jì)算[1-5]。本次研究運(yùn)用該數(shù)值分析軟件完成分析在不同支護(hù)方案下，掘進(jìn)階段及工作面回采階段的巷道圍巖受力及變形位移情況的計(jì)算。

2.1 模擬方案

由前面分析可知，9號(hào)煤層回采巷道沿煤層頂板布置，矩形斷面，運(yùn)輸順槽及軌道順槽的斷面尺寸及支護(hù)參數(shù)相同，掘進(jìn)斷面尺寸為4.0m×2.7m，工作面開切眼掘進(jìn)斷面尺寸為5.7m×2.2m。

根據(jù)工作面的實(shí)際開采條件以及建模的要求，設(shè)置模型尺寸為長×寬×高=300m×300m×70m。模型四個(gè)側(cè)面為水平固定邊界，底部為固定邊界，模型共劃分434160個(gè)單元，452925個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型模擬9號(hào)煤層厚1.5m。模擬時(shí)煤層埋藏深度按最大埋深考慮，取300m。上覆巖層的重力按均布載荷施加在模型的上部邊界。

2.2 模擬過程

在已經(jīng)賦值平衡模型的基礎(chǔ)上，首先對(duì)8號(hào)煤層進(jìn)行回采開挖，并計(jì)算平衡。之后進(jìn)行開挖9號(hào)煤工作面順槽，開挖的同時(shí)按照設(shè)計(jì)方案對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)，計(jì)算運(yùn)行到收斂。然后進(jìn)行9號(hào)煤層工作面回采，工作面回采分步進(jìn)行，每開挖5m，模擬運(yùn)算2000步并保存模型文件，依次循環(huán)直至工作面推進(jìn)完成。最后分析在不同支護(hù)方案下，掘進(jìn)階段及工作面回采階段的巷道圍巖受力及變形位移情況。

3 模擬結(jié)果及其分析

3.1 8號(hào)煤采空區(qū)及煤柱下順槽支護(hù)效果

圖1所示為順槽不支護(hù)時(shí)的巷道圍巖的塑性區(qū)、應(yīng)力分布、位移分布的狀態(tài)圖?？梢钥闯?，工作面順槽不支護(hù)時(shí)，工作面順槽兩幫的塑性破壞深度為1.0m，頂板破壞相對(duì)較少，破壞深度為0.5m。巷道垂直應(yīng)力集中于巷道兩幫的煤體內(nèi)及巷道兩幫的底角，最大垂直應(yīng)力為11MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.47。巷道兩幫移近量為39.5mm，頂板下沉量為12.9mm，底板鼓起量為5.0mm，頂?shù)装逡平繛?7.9mm。整體來說，工作面順槽無支護(hù)時(shí)，巷道破壞主要體現(xiàn)在巷幫，巷幫破壞深度為1.0m，兩幫的位移量為39.5mm，幫部變形破壞比較嚴(yán)重，對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)特別注意對(duì)巷道兩幫的支護(hù)。

圖1 巷道圍巖支護(hù)狀態(tài)（無支護(hù)）

3.2 巷道掘進(jìn)影響時(shí)期

圖2所示為8號(hào)煤不同賦存狀態(tài)時(shí)，9號(hào)煤回采巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)。8號(hào)煤未開采時(shí)，9號(hào)煤回采巷道垂直應(yīng)力集中于巷道兩幫的煤體內(nèi)及幫部的底角，最大垂直應(yīng)力為12.6MPa。由圖2（b）可知，對(duì)于8號(hào)煤采空區(qū)，8號(hào)煤開采之后，其采空區(qū)原巖應(yīng)力重新分布，8號(hào)煤底板及9號(hào)煤頂板應(yīng)力得到一定程度的釋放，有利于9號(hào)煤回采巷道的布置。由圖2（c）可知，對(duì)于8號(hào)煤層區(qū)段煤柱，8號(hào)煤采空之后，其上覆巖層的壓力降集中于區(qū)段煤柱，其應(yīng)力通過8號(hào)煤層底板傳遞到9號(hào)煤層頂板，9號(hào)煤層巷道進(jìn)出8號(hào)煤層區(qū)段煤柱時(shí)，9號(hào)煤巷道圍巖應(yīng)力將有所增加，不利于9號(hào)煤層的巷道支護(hù)。

圖2 不同位置時(shí)9號(hào)煤巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)

4 結(jié)論

對(duì)于8號(hào)煤層區(qū)段煤柱及采空區(qū)，巷道位于區(qū)段煤柱下方時(shí)，巷道圍巖的應(yīng)力有所增加，巷道圍巖破壞范圍較采空區(qū)下方的大，巷道掘進(jìn)遇到8號(hào)煤層區(qū)段煤柱時(shí)，在進(jìn)出煤柱及煤柱下方時(shí)，應(yīng)特別注意巷道圍巖的破壞情況，尤其是巷道幫部的破壞情況，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況必要時(shí)采用加強(qiáng)支護(hù)措施。