厚煤層小煤柱巷道采掘交鋒應(yīng)力變化規(guī)律研究

王 震

(同煤集團(tuán)晉華宮礦，山西 大同 037016)

采掘交鋒問(wèn)題是目前煤礦開(kāi)采過(guò)程中最為常見(jiàn)的問(wèn)題［1－3］，巷道開(kāi)挖后，原有的圍巖應(yīng)力環(huán)境被打破，在沒(méi)有采動(dòng)影響的靜壓狀態(tài)下，巷道支護(hù)相對(duì)容易，一旦受到相鄰采場(chǎng)采動(dòng)的影響，原本平衡的應(yīng)力狀態(tài)被打破，已掘巷道的支護(hù)系統(tǒng)面臨著相鄰采場(chǎng)側(cè)向支撐壓力的考驗(yàn)，極易發(fā)生冒頂事故。因此，為了減小這種側(cè)向支撐壓力的影響，很多礦區(qū)采用幾十米寬的煤柱［4，5］，造成了煤炭資源不同程度的浪費(fèi)，當(dāng)煤層厚度較大時(shí)，這種“大煤柱”造成的資源浪費(fèi)更為嚴(yán)重。

本文以同煤集團(tuán)晉華宮礦12－3#層301盤(pán)區(qū)8107工作面為研究對(duì)象，利用巖土工程專用數(shù)值模擬軟件 FLAC3D［6，7］探索研究厚煤層在留設(shè)小煤柱時(shí)采掘交鋒過(guò)程中圍巖的應(yīng)力變化規(guī)律，為巷道合理支護(hù)方案的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 工程概況

8107工作面北部為12－3#層301盤(pán)區(qū)5109(未掘巷道)，東部至12－3#層301盤(pán)區(qū)軌道巷，南部為正在回采的12－3#層301盤(pán)區(qū)8105工作面，西部為實(shí)體，也是巷道掘進(jìn)方向。根據(jù)生產(chǎn)安排，在8105工作面回采過(guò)程中，需要開(kāi)掘8107工作面的5107巷道，5107巷道與2105巷道間煤柱寬度12 m，采掘巷道平面位置圖見(jiàn)圖1。

圖1 采掘巷道平面位置圖

12－3#煤層平均埋深 325 m，厚度 2.0 ～6.09 m，平均4.05 m，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，普含一層夾石，呈“楔狀”分布，傾角2°～6°，平均4°。老頂為細(xì)砂巖及砂質(zhì)頁(yè)巖，厚9.34 m，上部為黑灰色細(xì)砂巖，下部為黑色砂質(zhì)頁(yè)巖，致密狀結(jié)構(gòu)。直接頂為灰黑色細(xì)砂頁(yè)，成分以石英長(zhǎng)石為主，次有黑色礦物，含炭質(zhì)物質(zhì)中薄層砂質(zhì)頁(yè)巖，下部水平波狀層理較發(fā)育與上層成過(guò)渡狀接觸，厚2.10 m。底板為深灰色砂質(zhì)頁(yè)巖，致密狀結(jié)構(gòu)，巖層厚度較大。根據(jù)地質(zhì)勘查結(jié)果，該層煤體沒(méi)有明顯的構(gòu)造應(yīng)力，圍巖應(yīng)力以自重應(yīng)力為主。

5107巷道斷面形式為矩形，寬4.5 m，高2.8 m，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度600 m，施工時(shí)沿煤層頂板掘進(jìn)，煤層厚度2.9～3.2 m時(shí)，見(jiàn)頂見(jiàn)底掘進(jìn);當(dāng)煤層厚度大于3.2 m時(shí)，沿頂留底掘進(jìn)。

2 采掘交鋒應(yīng)力變化規(guī)律研究

2.1 模型的建立

采用巖土工程專用數(shù)值模擬軟件FLAC3D進(jìn)行研究，以煤層下底面中心為原點(diǎn)，x軸正、負(fù)方向各取25 m，y方向取單位長(zhǎng)度，z軸正方向取30 m，負(fù)方向取25 m，煤柱部分為 x=2.25 ～14.25 m 部分，右側(cè)14.25～25.0 m范圍內(nèi)模擬8105面的回采。按平均巖體容重2.5 kN/m3計(jì)算，模型上表面施加豎向應(yīng)力7.0 MPa模擬上部的巖層自重，側(cè)壓力系數(shù)取0.5，施加水平應(yīng)力3.5 MPa，上部自由面，其余5面均采用滑動(dòng)鉸支座的位移邊界。為了降低計(jì)算工作量，又不影響研究效果，采用漸變單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，巷道周?chē)鷨卧駝澐州^密，向外尺寸逐漸增加，共劃分8 670個(gè)單元，17 716個(gè)節(jié)點(diǎn)，采掘交鋒時(shí)模型見(jiàn)圖2。

圖2 采掘交鋒模型圖

2.2 采掘交鋒前后圍巖應(yīng)力分析

圍巖應(yīng)力是決定巷道穩(wěn)定最為重要的因素之一，尤其是對(duì)于動(dòng)壓巷道，準(zhǔn)確掌握圍巖應(yīng)力的變化是采區(qū)及時(shí)合理補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)最為重要的條件，采用 tecplot10.0軟件對(duì)采掘交鋒前后圍巖的第一主應(yīng)力(σ1)和第三主應(yīng)力(σ3)分布范圍做圖，見(jiàn)圖3，圖4。

由圖3(a)可知，巷道開(kāi)挖平衡后，由于巷道斷面自身的特性，(σ1)在巷道頂角和底角出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，頂角的最大應(yīng)力為12 MPa，為底角的1.2倍，但發(fā)生應(yīng)力集中的范圍較小。因此，支護(hù)工作相對(duì)較為容易。

圖4 采掘交鋒后圍巖主應(yīng)力分布圖

由圖3(b)可知，(σ3)的分布與(σ1)則截然相反，巷道開(kāi)挖后，圍巖表面臨空，垂直于圍巖表面的第三主應(yīng)力消失，隨著圍巖深度的增加，(σ3)又開(kāi)始增加。在豎向壓力的作用下，煤體受壓向巷道方向變形，受到阻礙后產(chǎn)生深色的應(yīng)力升高區(qū)，最大應(yīng)力為8.5 MPa。

采掘交鋒后，8105工作面上部巖體的荷載被12 m寬煤柱及8107工作面煤體承擔(dān)，5107巷圍巖應(yīng)力升高，頂角最大(σ1)達(dá)到15 MPa，見(jiàn)圖4(a)，較采掘交鋒前增加25%，煤柱內(nèi)部增量(σ1)更為突出，普遍為采掘交鋒前的1.75倍。相對(duì)于(σ1)，采掘交鋒對(duì)(σ3)的影響較弱。

2.3 采掘交鋒前后圍巖主應(yīng)力增量分析

為了進(jìn)一步研究采掘交鋒對(duì)圍巖主應(yīng)力的影響，在巷道左幫、頂板和右?guī)透鬟x擇3條測(cè)線，研究圍巖和錨桿組成的錨固體內(nèi)或附近的主應(yīng)力變化關(guān)系，三條測(cè)線距巷道表面距離分別為0.5 m、1.5 m和2.5 m，長(zhǎng)度均為相應(yīng)巷道寬或高的3倍，其平面布置見(jiàn)圖5。

圖5 測(cè)線平面布置圖

利用fish函數(shù)提取9條測(cè)線上采掘前后的第一和第三主應(yīng)力值的量值，求解主應(yīng)力增量，并作出采掘交鋒前后圍巖主應(yīng)力增量圖，見(jiàn)圖6。

由圖6(a)可知，距巷道表面0.5 m，交鋒前后第一主應(yīng)力增量波動(dòng)較大，規(guī)律并不明顯;而距巷道表面1.5 m 和 2.5 m，(σ1)增量變化趨勢(shì)基本一致，巷道左幫底角向巷幫中心，增量逐漸從1.2 MPa增加到2.8 MPa，之后基本保持增量不變，而在右?guī)停?σ1)增加量值則先增加后減小，底角、巷幫、頂角(σ1)增量分別為3.77 MPa、5.0 MPa 和2.88 MPa;頂板(σ1)增量從左向右呈波浪狀變化，煤柱內(nèi)(σ1)增量較大，頂板正上方(σ1)增量較小。

圖6 采掘交鋒前后圍巖主應(yīng)力增量圖

由圖6(b)可知，距圍巖表面0.5 m范圍內(nèi)，(σ3)增量變化不大，甚至在巷幫及頂板中部，(σ3)出現(xiàn)了負(fù)值，即8105工作面的回采引起5105巷道淺部圍巖中第三主應(yīng)力的降低。圍巖支護(hù)的最終目的就是增加其內(nèi)部的第三主應(yīng)力，依此提高圍巖的承載力［8］，可見(jiàn)，采掘交鋒在增加巷道淺部圍巖第一主應(yīng)力的同時(shí)，降低了支護(hù)體的有效性。

此外，對(duì)比圖6(a)，(b)可以看出，巷道頂板上部及靠煤柱側(cè)的頂角，采掘交鋒后的第一主應(yīng)力均有不同程度的增加，最大增量達(dá)到4.78 MPa，而第三主應(yīng)力基本沒(méi)增加，反而有不同程度的降低，因此，采掘交鋒過(guò)程中，應(yīng)多注意這兩部位圍巖的變化，做好及時(shí)地防護(hù)工作。

3 結(jié)論

1)巷道開(kāi)挖平衡后，頂角和底角出現(xiàn)了范圍較小的第一主應(yīng)力集中現(xiàn)象，頂角最大應(yīng)力為12 MPa，為底角的1.2倍;第三主應(yīng)力則隨著圍巖深度的增加逐漸增大，在煤幫深部達(dá)到最大值8.5 MPa。

2)采掘交鋒過(guò)程中，巷道淺部圍巖第一主應(yīng)力增量波動(dòng)較大，從巷幫中部向兩側(cè)(σ1)增量先增加后減小，而在頂板出現(xiàn)了3 m左右的緩增長(zhǎng)區(qū)。

3) 距巷道表面1.5 m 和2.5 m，(σ1)增量變化趨勢(shì)基本一致，巷道左幫底角向巷幫中心，增量逐漸從1.2 MPa增加到2.8 MPa，之后基本保持增量不變，而在右?guī)停?σ1)增加量值則先增加后減小，頂板(σ1)增量從左向右呈波浪狀變化，煤柱內(nèi)(σ1)增量較大，頂板正上方(σ1)增量較小。

4)巷道頂板上部及靠煤柱側(cè)的頂角，采掘交鋒后的第一主應(yīng)力均有不同程度的增加，最大增量達(dá)到4.78 MPa，而第三主應(yīng)力基本沒(méi)增加，反而有不同程度的降低。因此，采掘交鋒過(guò)程中，應(yīng)多注意這兩部位圍巖的變化，做好及時(shí)地防護(hù)工作。

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