极近距厚煤层冲击地压防治数值模拟研究

冯 杰

（山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司岳城煤矿，山西 晋城 048000）

我国多数煤田赋存有多层距离比较近的可采或局部可采的煤层[1-2]。随着煤层间距离减小，上下煤层间开采相互影响的程度会逐渐增大，更易诱发冲击地压[3-4]。岳城煤矿3上和3下煤层为两层极近距厚煤层，3上层煤开采严重破坏了下层煤顶板的完整性，围岩稳定性差，再加上受3上煤层开采时遗留煤柱在底板形成集中压力的影响，3下煤层窄煤柱的留设和工作面的布置是亟待解决的问题。

1 工程地质条件

3上1101工作面埋深约600m，走向长1110～1246m，平均1178m，倾斜长223m，煤层厚度4.4～6.4m，平均5.1m，煤层倾角4～27°，平均16°。3下1101工作面埋深约600m，走向长1286～1302m，平均1294m，倾斜长174m，煤层厚度1.8～5.0m，平均3.7m，煤层倾角，5～26°，平均17°。

根据现场取样和岩石力学试验结果，3号煤层围岩力学参数如表1所示。

表1 围岩力学参数

2 区段留窄煤柱防冲技术

2.1 区段窄煤柱留设

3上与3下煤层的区段间均留窄煤柱沿空掘巷开掘下区段巷道。根据两层煤之间的层位布置关系，3上工作面材料巷和3上509工作面运输巷间的窄煤柱在3下1101工作面的中间位置，可能会对3下1101工作面顶板造成一定程度的应力集中。同时，3下工作面区段间留设窄煤柱，也可能会引起3下1101工作面的巷道的应力集中，造成巷道管理困难，因此对近距煤层开采（区段间留煤柱沿空掘巷），煤柱宽度的选取尤其重要[5]。

2.2 防冲效果模拟

根据现场的地质条件，结合现场实测数据及观察现象，采用大型非线性三维数值模拟计算软件（FLAC3D）分别对3m的窄煤柱及15m的煤柱进行数值模拟，分析在这两种条件下煤柱对顶板控制作用的优劣[6]。

（1）数值模拟模型

结合西五采区3号煤层地质条件，以上述提出的两种留煤柱沿空掘巷方案为背景，建立FLAC3D模型进行数值模拟。模型长1040m，宽800m，高280m，共划分450320个单元，470926个节点。在节省单元，提高运算速度的同时，为保证计算精度，按区域需要考虑轻重来调整单元的疏密。

（2）数值模拟结果及分析

图1 3上工作面煤柱内部垂直应力分布图

图1为开采3上507、3上509及3上1101工作面后，3m煤柱和15m煤柱内部的垂直应力分布情况。煤柱内部的原岩应力为13.7MPa，3m煤柱内部应力值最大为3.13MPa，远远低于原岩应力，不存在应力集中；而15m煤柱内部应力值最大为29.2MPa，远远大于原岩应力，应力集中系数为2.13。窄煤柱自身无法承担上覆岩层的重量，内部无法储存弹性能，煤柱不断被压酥至破坏，因此煤柱内部不会出现应力集中现象；15m煤柱对于上覆岩层有一定的承载能力，煤柱自身能够储存弹性能，煤柱内部将会产生应力集中现象。

图2 3下工作面顶板垂直应力分布剖面图（沿地层倾向）

图3 煤柱处垂直应力分布剖面图

如图2所示分别为开采3上507、3上509及3上1101工作面后，3下工作面顶板的垂直应力分布图，图3为煤柱处的垂直应力分布情况剖面图。从图中可以看出3m煤柱应力影响区域远小于15m煤柱，顶板应力分布较为平缓；而15m煤柱对应于3下工作面顶板的区域出现了应力集中，顶板应力分布不均匀。因此若留设15m煤柱护巷，当3下煤层开采时，本就十分薄弱的顶板将更加难以维护。

综上所述，留设3m窄煤柱顶板整体下沉，顶板应力分布平缓，保留了上覆岩层完整性。不仅对于预防3下煤层冲击地压和顶板维护具有显著效果。还有利于提高煤炭采出率。

3 工作面错位布置防冲技术

3.1 工作面错位布置

岳城煤矿3上、3下两层极近距煤层开采时采用错位布置如图4所示，3下1101工作面和3下509工作面与3上煤层工作面错位布置，即下层煤运输巷、材料巷布置在上层煤采空区的下方，3下1101工作面和3上1101工作面错位布置。

图4 工作面巷道布置

3.2 防冲效果模拟

根据现场实测条件，建立数值模型，研究在3上工作面回采巷道和3下工作面回采巷道错位布置或重叠布置对围岩应力的影响。

（1）对回采巷道的影响

图6 3下工作面回采巷道围岩垂直应力剖面图

图5和6分别为3下1101与3上1101工作面回采巷道错位布置和重叠布置时，沿地层倾向顶板垂直应力剖面图和沿垂直工作面推进方向巷道垂直应力剖面图。从图中可以看出错位布置时整个覆岩没有明显的应力集中区，最大应力出现在回采巷道的左帮，峰值为20.35MPa，顶板应力分布比较均匀，巷道顶板应力较小，应力峰值为13MPa。重叠布置时最大应力也出现在回采巷道的左帮，峰值为25.1MPa，巷道顶板应力峰值为18.5MPa，其煤柱侧巷帮变形较错位布置时严重。

（2）下煤层工作面超期支承压力模拟分析

图7为3下509工作面沿走向推进300m时顶板垂直应力分布图，留设在3上煤层的窄煤柱，对应于3下工作面区域会造成一定程度的应力影响，与工作面推采时的顶板超前支承应力叠加会使超前应力峰值增大。工作面前方未受煤柱压力影响区域顶板的超前支承应力峰值为7MPa，叠加处应力峰值为9MPa，可知3上工作面遗留煤柱对顶板超前支承应力的叠加不大，不会对工作面正常推进造成影响，对3下工作面开采时冲击地压的防治有积极的作用。

图7 3下煤层走向推进300m顶板垂直应力分布图

综上所述，对于极近距煤层开采，3下煤层工作面采取错位布置，巷道布置在采空区下方，顶板压力不大，有利于对巷道的支护及管理；工作面开采时3上煤层的煤柱对工作面的顶板压力作用不大，工作面围岩也没有明显应力集中区，最大应力不超过9MPa。采用错位布置是比较合理的巷道布置方式，对3下煤层工作面的防冲具有积极的作用。

4 结论

（1）留设3m窄煤柱顶板整体下沉，顶板应力分布平缓，保留了上覆岩层完整性，不仅对于预防3下煤层冲击地压和顶板维护具有显著效果，还有利于提高煤炭采出率。

（2）对于极近距煤层开采，3下煤层工作面采取错位布置，巷道布置在采空区下方，顶板压力不大，有利于对巷道的支护及管理。

（3）对于具有冲击危险性的极近距煤层，采用“窄煤柱护巷+错位巷道布置”防冲方案，可以大大降低工作面冲击危险性。