巨厚煤層大斷面臨空煤巷綜放礦壓規(guī)律模擬研究

賈 彪

(寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏銀川750021)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，煤礦事故在社會(huì)上引發(fā)的效應(yīng)越發(fā)擴(kuò)大，而事實(shí)上，由于煤體賦存環(huán)境的復(fù)雜性，巷道冒頂事故等并未得到根本控制，根據(jù)《中國(guó)煤炭工業(yè)年鑒》，2000～2008年平均每年約1920人在頂板事故中喪生，占總死亡人數(shù)的40%，并有進(jìn)一步上升的趨勢(shì)[1－9]。

眾所周知，巷道支護(hù)的最終目的為有效抵抗煤層回采過(guò)程中顯現(xiàn)的礦山壓力，包括圍巖變形滿足生產(chǎn)要求、作用在支護(hù)構(gòu)件上的應(yīng)力小于其承受能力等，而在此過(guò)程中，弄清各種開(kāi)采條件下的礦壓分布規(guī)律，對(duì)指導(dǎo)巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)具有十分重要的意義，為此，許多學(xué)者也做的相應(yīng)的研究[10-13]，但現(xiàn)有的研究多集中于薄煤層或巷道斷面較小的沿空巷道，對(duì)巨厚煤層大斷面臨空煤巷綜采放頂煤開(kāi)采的礦壓規(guī)律研究的較少，本文以山西塔山礦3#～5#層5203為研究對(duì)象，采用巖土工程專用數(shù)值模擬軟件FLAC3D[14-18]研究其回采過(guò)程中的礦壓分布規(guī)律，為巨厚煤層綜放開(kāi)采大斷面臨空煤巷的支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考，為其他類似工程提供借鑒。

1 工程概況及模擬設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

5203巷道斷面為矩形，寬高尺寸為5.5m×3.9m，斷面面積達(dá) 21.5m2，是典型的大斷面煤巷[9]，其所在 3#～5#煤層厚 13.6 ～18.4m，平均 16.0m，屬于巨厚煤層，平均埋藏深度為400m，單軸抗壓強(qiáng)度為27.5M～37.6MPa;直接頂厚度為2.57～6.43m，巖性為黃白、灰白、灰綠色巖漿巖、灰黑色炭質(zhì)泥巖、深灰色泥巖、黑色硅化煤交替賦存，賦存不穩(wěn)定，厚度不均勻，氏系數(shù)為5.7～6.2之間;老頂為深灰色粉砂巖、灰、灰白色細(xì)砂巖與含礫粗砂巖，厚度為11.8 ～39.55m，平均為 22.93m;直接底為灰褐色、淺灰色高嶺質(zhì)泥巖，含有炭化體及煤屑，局部為深灰色砂質(zhì)泥巖，厚度為1.50～9.18m，平均厚度為4.87m，普氏系數(shù) 4.9 ～6.8;老底為灰白、淺灰色細(xì)砂巖、中粒砂巖、粗砂巖、含礫粗砂巖，成分以石英、長(zhǎng)石為主，堅(jiān)硬，厚度為4.22～11.69m，平均厚度5.12m。

5203巷為8203面的軌道巷，該面西側(cè)為未開(kāi)采的8205工作面，東側(cè)為回采結(jié)束的8201工作面采空區(qū)，5203巷所在煤柱寬38m，其平面位置如圖1所示，煤層采用綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采，采高5m，剩余的一次全部放頂。

圖1 5203巷平面布置

1.2 模擬設(shè)計(jì)

以5105巷底板中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，垂直巷道軸向的水平方向?yàn)閄方向、巷道軸向?yàn)閅方向、高度方向?yàn)閆方向建立數(shù)值計(jì)算模型坐標(biāo)系。模型X方向坐標(biāo)原點(diǎn)左右各取100m，正Z方向取100m，負(fù)Z方向取80m，因要模擬實(shí)際的回采過(guò)程，沿巷道軸向(Y方向)取240m，模型共58825個(gè)單元，66855個(gè)節(jié)點(diǎn)，為盡可能準(zhǔn)確地考察巷道圍巖變形和受力情況，模型中巷道附近單元格較密，遠(yuǎn)離巷道處單元?jiǎng)澐州^疏。

采用摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取芯后的室內(nèi)試驗(yàn)獲得各巖層的物理力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1，在模型的底面加滑動(dòng)支座以約束垂直自由度，在平行巷道走向的兩側(cè)施加滑動(dòng)支座，只約束Y方向的自由度而釋放X、Z方向上的自由度，垂直于巷道走向的兩側(cè)施加X(jué)方向的約束，以模擬巖體的沉降。模型上部施加垂直載荷模擬上覆巖層的重量。

表1 圍巖力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果

計(jì)算過(guò)程為:①一次性開(kāi)挖x=40.75～100m內(nèi)煤層，計(jì)算至平衡，模擬采空區(qū);②開(kāi)挖5203巷，應(yīng)力釋放50步后，添加錨桿、錨索、鋼帶等支護(hù)構(gòu)件，計(jì)算至平衡;③在實(shí)際回采寬度范圍內(nèi)，沿回采方向一次開(kāi)挖y=200～250m內(nèi)煤層，刪除支護(hù)構(gòu)件，計(jì)算至平衡，模擬工作面后方的塌落區(qū);④從y=200m沿y軸負(fù)方向開(kāi)始回采，每次回采6m，計(jì)算平衡后記錄y=50m斷面的表面位移和相應(yīng)支護(hù)構(gòu)件尾部受力，共回采24次，148米，最終回采完成時(shí)模型如圖2所示;⑤運(yùn)用EXCEL等其他軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

2 模擬結(jié)果分析

計(jì)算過(guò)程中，監(jiān)測(cè)巷道表面位移，錨桿、錨索軸力，圍巖應(yīng)力等礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，錨桿監(jiān)測(cè)編號(hào)如圖3所示，左幫為正在開(kāi)采的實(shí)體煤層，右?guī)蜑榕R采空區(qū)的煤柱。

圖2 回采結(jié)束模型

圖3 監(jiān)測(cè)錨桿編號(hào)

2.1 圍巖位移分布規(guī)律

巷道回采過(guò)程中，圍巖表面位移變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 圍巖表面位移變化規(guī)律

由圖4可知，巷道回采過(guò)程中，圍巖表面位移的變化可以分為三個(gè)階段。

1)無(wú)影響:當(dāng)圍巖距回采工作面的距離超過(guò)120m后，采動(dòng)引起的超前支承壓力在錨網(wǎng)和巖體共同組成的承載結(jié)構(gòu)的承受范圍之內(nèi)，采動(dòng)壓力對(duì)圍巖的變形基本沒(méi)有影響。

2)微影響:該階段主要表現(xiàn)在圍巖距工作面距離小于120m、大于50m時(shí)，隨著工作面的不斷推進(jìn)，圍巖表面位移增加的幅度逐漸增加，整個(gè)階段兩幫和頂?shù)装逦灰屏糠謩e為66.7mm和54.0mm。

3)強(qiáng)影響:當(dāng)距工作面50m以內(nèi)時(shí)，在巨大超前支承壓力的作用下，圍巖裂隙發(fā)育，碎脹破壞迅速發(fā)生，圍巖位移呈2次函數(shù)增加，該階段兩幫收斂和頂?shù)装逡平康牧恐捣謩e為367mm和266mm，占總位移的84.6%和83.1%，因此，應(yīng)該重視該段范圍內(nèi)巷道的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

2.2 支護(hù)構(gòu)件受力分析

回采過(guò)程中，錨桿、錨索軸力變化規(guī)律如圖5和圖6所示。

圖5 錨桿軸力變化規(guī)律

圖6 錨索軸力變化規(guī)律

由圖5和圖6可知如下方面。

1)采動(dòng)對(duì)錨桿、錨索軸力的影響與表面位移類似，同樣可以分為無(wú)影響、微影響和強(qiáng)影響三個(gè)階段。

2)隨著工作面的臨近，錨桿、錨索軸力逐漸增加，且增加幅度逐漸增大，但當(dāng)工作面距離小于14m后，上述軸力迅速降低，究其原因，主要是由于超前支承壓力的影響使煤體裂隙發(fā)育，圍巖破碎，進(jìn)而使得錨桿錨索錨固力的迅速降低。

3)無(wú)采動(dòng)影響時(shí)，頂板中部錨桿(3#)受力最大，為81.2kN，隨著工作面的推進(jìn)，錨桿軸力迅速增加，頂板錨桿最大峰值強(qiáng)度仍未3#錨桿，225.7kN，但與無(wú)采動(dòng)時(shí)相比，1#～3#錨桿采動(dòng)前后最大軸力比分別為 2.5、3.1 和2.9，可見(jiàn)，采動(dòng)對(duì)臨空側(cè)頂板錨桿的影響較大，兩幫4#和5#錨桿上述比值分別為3.5和3.8，較頂板的大，可見(jiàn)與頂板相比，采動(dòng)對(duì)兩幫的影響較大。

4)由于5203巷為矩形巷道，頂板中部變形最大，故無(wú)采動(dòng)影響時(shí)錨索中部受力最大，為119.7kN，采動(dòng)影響后，錨索受力迅速增大，6#～8#錨索最大峰值為采動(dòng)前的2.8倍、2.7倍和2.9倍，采動(dòng)對(duì)錨索的影響較為均勻，主要原因是由于錨索長(zhǎng)度較大，抵抗采動(dòng)變形的延性大，在不利力學(xué)環(huán)境中自身調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)。

2.3 圍巖應(yīng)力分布規(guī)律

回采后，沿巷道中部水平面做剖面，其豎向應(yīng)力分布如圖7所示。

圖7 采場(chǎng)應(yīng)力分布規(guī)律

由圖7可知如下內(nèi)容。

1)隨距工作面距離的減小，煤體內(nèi)部應(yīng)力先增加后減小，與錨桿、錨索等支護(hù)構(gòu)件軸力的應(yīng)力分布規(guī)律相似。

2)巷道開(kāi)挖后，圍巖豎向應(yīng)力迅速增加，現(xiàn)有支護(hù)能有效的抵抗應(yīng)力重分布形成的集中應(yīng)力，使得切面周圍應(yīng)力并沒(méi)有因圍巖的破壞而降低，沿巷道徑向方向，應(yīng)力逐漸降低，最大集中應(yīng)力為17MPa，約為原巖應(yīng)力的1.89倍;而在煤柱內(nèi)部，受到相鄰工作面采礦區(qū)的影響，采空區(qū)測(cè)煤柱發(fā)生破壞，應(yīng)力降低，使煤柱內(nèi)部豎向應(yīng)力呈現(xiàn)兩個(gè)峰值。

3)煤層回采后，強(qiáng)大的超前支承壓力使煤體被壓碎，應(yīng)力得到釋放，最大超前支承壓力出現(xiàn)在距工作面10m的位置，為22.6MPa，而在煤柱內(nèi)部，沿煤柱走向則出現(xiàn)多個(gè)駝峰應(yīng)力，最大值為28MPa，為工作面峰值超前支承壓力的1.24倍。

3 結(jié)論

1)采動(dòng)對(duì)圍巖表面位移、錨桿錨索軸力以及煤體內(nèi)部圍巖應(yīng)力的影響可以分為無(wú)影響、微影響和強(qiáng)影響三個(gè)階段，距工作面的距離分別為:大于120m、120～50m和小于50m，支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該重視對(duì)工作面前50m范圍內(nèi)巷道的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

2)隨著工作面的臨近，錨桿、錨索軸力逐漸增加，且增加幅度逐漸增大，但當(dāng)距工作面距離小于14m后，上述軸力迅速降低，且采動(dòng)對(duì)煤柱側(cè)錨桿的影響較實(shí)體煤側(cè)大，而對(duì)錨索的影響較為均勻。

3)巷道開(kāi)挖后，現(xiàn)有支護(hù)能有效的抵抗應(yīng)力重分布形成的集中應(yīng)力，使得巷道周圍應(yīng)力并沒(méi)有因圍巖的破壞而降低，最大集中應(yīng)力為17MPa，約為原巖應(yīng)力的1.89倍;煤層回采后，強(qiáng)大的超前支承壓力使煤體被壓碎，應(yīng)力得到釋放，使得煤柱或煤體內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)應(yīng)力峰值。

[1]國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局.中國(guó)煤炭工業(yè)年鑒(2000)[M].北京:中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，2001.

[2]國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局.中國(guó)煤炭工業(yè)年鑒(2001)[M].北京:中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，2002.

[3]國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局.中國(guó)煤炭工業(yè)年鑒(2002)[M].北京:中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，2003.

[4]國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局.中國(guó)煤炭工業(yè)年鑒(2003)[M].北京:中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，2004.

[5]國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局.中國(guó)煤炭工業(yè)年鑒(2004)[M].北京:中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，2005.

[6]國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局.中國(guó)煤炭工業(yè)年鑒(2005)[M].北京:中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，2006.

[7]國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局.中國(guó)煤炭工業(yè)年鑒(2006)[M].北京:中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，2007.

[8]國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局.中國(guó)煤炭工業(yè)年鑒(2007)[M].北京:中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，2008.

[9]國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局.中國(guó)煤炭工業(yè)年鑒(2008)[M].北京:中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，2009.

[10]姜海強(qiáng)，李猛，吳曉剛，等.巨厚礫巖層工作面覆巖移動(dòng)規(guī)律數(shù)值模擬研究[J].中國(guó)礦業(yè)，2012，21(12):108-111.

[11]張衛(wèi)民.淺埋深大采高礦壓監(jiān)測(cè)與分析[J].中國(guó)礦業(yè)，2012，21(8):95-97.

[12]張茂林，汪小東，王慶弟，等.大陽(yáng)煤礦綜放回采巷道采動(dòng)影響變形規(guī)律研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2007(8):35-38.

[13]張艷偉，邢望.急傾斜煤層工作面應(yīng)力分布與破壞特征數(shù)值模擬[J].煤礦安全，2013，44(1):28-30.

[14]楊啟楠.基于FLAC3D復(fù)合頂煤大斷面煤巷圍巖數(shù)控模擬[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012(4):461-465.

[15]程詳，趙光明，孟祥瑞，等.上提綜采面破碎頂板片幫冒頂分析與控制技術(shù)研究[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32(4)，420-426，433.

[16]張占濤.大斷面煤層巷道圍巖變形特征與支護(hù)參數(shù)研究[D].北京:煤炭科學(xué)研究總院，2009.