基本頂巖層斷裂位置對(duì)沿空掘巷影響分析

王　帥， 桂　兵 ，王紅紅，吳修光， 劉　浩

(1.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.兗州煤業(yè)股份有限公司 濟(jì)寧三號(hào)井煤礦，山東 濟(jì)寧 272169 )

基本頂巖層斷裂位置對(duì)沿空掘巷影響分析

王帥1， 桂兵2，王紅紅1，吳修光2， 劉浩1

(1.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.兗州煤業(yè)股份有限公司 濟(jì)寧三號(hào)井煤礦，山東 濟(jì)寧 272169 )

[摘要]為研究基本頂斷裂位置對(duì)窄煤柱和沿空巷道穩(wěn)定性的影響，建立了沿空巷道基本頂斷裂結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，通過(guò)UDEC非線性數(shù)值模擬軟件，對(duì)3種模型進(jìn)行了模擬研究。研究表明：當(dāng)基本頂斷裂線位于巷道正上方時(shí)，巷道圍巖變形和煤柱應(yīng)力較大，不利于沿空巷道的維護(hù)；當(dāng)基本頂斷裂線位于煤柱外側(cè)時(shí)，沿空巷道實(shí)體煤幫變形較小，是巷道維護(hù)的有利位置。

[關(guān)鍵詞]基本頂；斷裂位置；沿空掘巷；數(shù)值分析；窄煤柱

近年來(lái)沿空巷道技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，已經(jīng)成為井工開(kāi)采較為普遍的巷道留設(shè)方式。然而，沿空巷道兩幫煤體容易發(fā)生彈性變形和塑性破壞，綜采大采高開(kāi)采條件下容易片幫傷人?；卷敂嗔盐恢糜种苯佑绊懼锏篮驼褐姆€(wěn)定性，因此，急需針對(duì)此問(wèn)題展開(kāi)研究。筆者以兗州煤業(yè)濟(jì)寧三號(hào)井53下12工作面為依托研究了基本頂不同斷裂位置對(duì)巷道及煤柱穩(wěn)定性的影響。

1工程概況

兗州煤業(yè)濟(jì)寧三號(hào)井53下12工作面煤層為3下煤層，平均厚度為5.63m，切眼處靠近3下煤層風(fēng)氧化帶，煤層變薄至1.3m左右，內(nèi)生裂隙發(fā)育，f=1～2。直接頂為粉砂巖及泥巖，厚度平均1.1m，深灰色，致密，性脆，含多量植物化石碎片，上部含少量黏土質(zhì)，f=4～6；基本頂厚度平均29.33m，主要為中砂巖及細(xì)砂巖，鈣質(zhì)膠結(jié)，堅(jiān)硬，具水平波狀層理，f=8～10；煤層直接底為泥巖和粉砂巖，平均厚度2.67m；基本底主要為細(xì)砂巖及中砂巖，平均厚度為6.31m。

53下12工作面采用后退式走向長(zhǎng)壁綜采一次采全高采煤法，全部垮落法管理頂板。53下12膠帶巷西鄰53下11工作面(已回采)，東臨53下12輔巷，南部進(jìn)入3下煤層風(fēng)氧化帶。53下12膠帶巷沿53下11采空區(qū)掘進(jìn)，受側(cè)向支承壓力及掘進(jìn)動(dòng)壓擾動(dòng)影響，高應(yīng)力狀態(tài)下的圍巖容易失穩(wěn)。

2基本頂斷裂結(jié)構(gòu)與窄煤柱穩(wěn)定性分析

沿空掘巷上覆基本頂斷裂結(jié)構(gòu)模型如圖1[1-3]所示。即基本頂斷裂線位置分別位于煤柱外側(cè)(模型1)、巷道正上方(模型2)及實(shí)體煤內(nèi)側(cè)(模型3)。

圖1　沿空掘巷圍巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

上覆直接頂巖層垮落，基本頂巖塊B回轉(zhuǎn)下沉，其上覆巖層和巖塊B的重量較大部分轉(zhuǎn)移到采空區(qū)的矸石上，部分轉(zhuǎn)移到直接頂和煤層上。當(dāng)基本頂斷裂線位于煤柱外側(cè)時(shí)，巖塊B回轉(zhuǎn)下沉穩(wěn)定后部分載荷又轉(zhuǎn)移到了采場(chǎng)直接頂上，采場(chǎng)頂板壓力增大，對(duì)煤柱影響較??；當(dāng)基本頂斷裂線位于巷道上方時(shí)，在水平擠壓力和摩擦力作用下，巖塊B緩慢下沉，當(dāng)矸石壓實(shí)穩(wěn)定后，巖塊B及其上覆巖層載荷同樣轉(zhuǎn)移到了采場(chǎng)直接頂和窄煤柱上，承受較大應(yīng)力的煤柱由彈性進(jìn)入塑性階段，煤柱水平和垂直位移增大，沿空巷道頂板下沉量和兩幫移近量變化明顯，成為影響煤柱穩(wěn)定性和巷道變形的危險(xiǎn)狀態(tài)；當(dāng)基本頂斷裂線位于實(shí)體煤上方時(shí)，基本頂巖塊的載荷除了采空區(qū)矸石、窄煤柱支撐外，一部分載荷轉(zhuǎn)移到實(shí)體煤上，對(duì)巷道實(shí)體煤側(cè)幫部水平位移影響最大，應(yīng)加強(qiáng)實(shí)體煤幫支護(hù)強(qiáng)度[4]。

3模型建立和結(jié)果分析

3.1模型建立

為了研究沿空巷道圍巖變形和煤柱穩(wěn)定性，參照濟(jì)寧三號(hào)井53下12工作面鉆孔揭露地層情況建立模型，采用離散元UDEC數(shù)值模擬軟件，由于模擬采空區(qū)開(kāi)采對(duì)巷道的影響，所以取模型長(zhǎng)度368.5m，高150m，煤層巷道埋深600m，寬5m，高4m。圍巖本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，節(jié)理和層理面采用Coulomb滑移準(zhǔn)則。

3.2模擬結(jié)果

3.2.1垂直位移分析

掘進(jìn)期間頂板垂直位移量如圖2所示。

圖2　巷道頂板下沉量

由圖2可知，沿空掘巷巷道上方斷裂結(jié)構(gòu)(模型2)導(dǎo)致最大下沉量位于煤柱上，為284mm，模型3最大值為241mm，位于巷道頂板肩部，模型1下沉量最小；總體變形情況為基本頂斷裂在巷道上方時(shí)導(dǎo)致的垂直位移大于斷裂線位于實(shí)體煤上方，斷裂線于實(shí)體煤上方情況大于斷裂線位于小煤柱外側(cè)的情況，同時(shí)小煤柱的變形量大于巷道上方變形量。

基本頂斷裂后，打破了之前形成的砌體梁平衡結(jié)構(gòu)，在巖塊承接上覆巖層傳遞的力學(xué)聯(lián)系通過(guò)直接頂巖層傳遞在煤體和巷道上，由于模型2斷裂線在巷道正上方，斷裂巖塊帶有其較多能量作用在巷道右側(cè)和窄煤柱上，一部分作用在采空區(qū)矸石上，在強(qiáng)大能量作用下，煤體吸收部分能量被壓縮甚至壓酥，因此，模型2結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的垂直位移較大。模型1部分能量進(jìn)入采空區(qū)，模型3部分能量被實(shí)體煤和圍巖吸收傳遞到遠(yuǎn)處。

3.2.2水平位移分析

掘進(jìn)期間數(shù)值模擬沿空巷道實(shí)體煤側(cè)圍巖變形情況如圖3所示。

圖3　巷道實(shí)體煤幫變形

由圖3可知：

(1)實(shí)體煤側(cè)巷道左幫0.5～1.0m范圍內(nèi)水平位移類拋物線降低，1m成為拋物線極值，1～1.5m范圍內(nèi)水平位移類拋物線增大，1.5～3.0m范圍內(nèi)變形持續(xù)較高，最大值為654.9mm，3.0m以上部分移動(dòng)量驟然減小，巷幫上部3.6m處水平位移最小，只有最大值的30%，在合理移動(dòng)范圍內(nèi)，在無(wú)底煤的情況下，巷道中下部是圍巖控制的重點(diǎn)區(qū)域。因此，為保證正常生產(chǎn)，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)密度。

(2)從3條曲線可以看出，基本頂巖塊斷裂位置在巷道上方時(shí)(模型2)，巷道左幫水平移動(dòng)量較其他2種情況大，其中，斷裂位置在實(shí)體煤上方時(shí)(模型3)，水平位移量大于斷裂在小煤柱上方(模型1)的情況，因?yàn)榛卷敂嗔押?，其主要?yīng)力向下方傳遞，模型2和模型3的巖塊B在回轉(zhuǎn)下沉過(guò)程中都將在巷道實(shí)體煤側(cè)傳遞能量，然而模型1的能量部分釋放在了窄煤柱，因此，模型2和模型3對(duì)巷道實(shí)體煤壁影響較模型1大。

巷道煤柱側(cè)圍巖變形變化曲線圖4所示。

圖4　沿空掘巷煤柱幫變形

由圖4可知：

(1)小煤柱幫下部2m處變形最大，因此，靠近煤柱一側(cè)沿空巷道下幫1.5～2.5m范圍內(nèi)是變形的重點(diǎn)區(qū)域；圍巖最大變形量達(dá)到2500mm，無(wú)法滿足巷道的使用要求，此時(shí)需要采取必要的支護(hù)措施。如在距離巷道頂板1m位置處補(bǔ)打長(zhǎng)度為3500mm的斜拉錨索，將其錨固在上覆穩(wěn)定巖層中。

(2)基本頂斷裂結(jié)構(gòu)對(duì)于煤柱幫水平位移影響差異不大。

3種基本頂斷裂結(jié)構(gòu)下煤柱底板垂直應(yīng)力分布規(guī)律如圖5所示。總體來(lái)看煤柱所受垂直應(yīng)力不顯著，靠近巷道一側(cè)(0～1.4m)應(yīng)力較高，平均5.2MPa；1.4～2m應(yīng)力急劇下降，最小為3.1MPa，是最大值的60%；2～2.2m應(yīng)力微增，2.2m至煤柱邊緣應(yīng)力穩(wěn)定，平均為3.275MPa。對(duì)比3條曲線發(fā)現(xiàn)，斷裂線位于煤柱外側(cè)和實(shí)體煤柱側(cè)應(yīng)力差別不大，而斷裂線位于巷道正上方時(shí)，在巷道一側(cè)1.5m范圍內(nèi)，應(yīng)力值都高于其他2種情況，巷道維護(hù)難度最大，在其他位置與兩者應(yīng)力相對(duì)略小。

圖5　煤柱底板垂直應(yīng)力分布規(guī)律

根據(jù)基本頂斷裂線位于巷道上方的情況作為支護(hù)的依據(jù)，提高巷道安全高效，為煤礦生產(chǎn)和安全提供保障。巷道實(shí)體煤側(cè)和頂板采用錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)，頂部布置3根錨索，4根錨桿，實(shí)體煤壁在1～4m范圍內(nèi)布置2根錨索，5根錨桿，沿空側(cè)布置5根錨桿。頂部錨桿規(guī)格為：φ22mm×2500mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為800mm×800mm；幫部錨桿為：φ20mm×2200mm左旋等強(qiáng)全螺紋鋼錨桿，間排距為750mm×800mm。

4結(jié)論

運(yùn)用UDEC離散元數(shù)值軟件模擬了3種不同斷裂結(jié)構(gòu)對(duì)沿空巷道變形及其煤柱應(yīng)力的影響，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)基本頂巖層斷塊在巷道正上方斷裂時(shí)(模型2)頂部下沉大于模型1和模型3兩種情況，其中，模型3大于模型1。

(2)基本頂巖層斷裂位置對(duì)巷道實(shí)體煤幫變形影響程度為：巷道正上方斷裂結(jié)構(gòu)(模型2)>實(shí)體煤上方斷裂結(jié)構(gòu)(模型3)>煤柱上方斷裂結(jié)構(gòu)(模型1)。3種情況對(duì)巷道煤柱幫水平位移影響差別不大。

(3)巷道中下部是錨桿支護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域，增加了小煤柱幫部錨索的支護(hù)條件下，巷道煤柱側(cè)幫水平位移得到有效改善。

(4)斷裂線位于巷道正上方時(shí)，在巷道一側(cè)1.5m范圍內(nèi)，煤柱垂直應(yīng)力都高于其他2種情況，巷道維護(hù)難度最大。

[參考文獻(xiàn)]

[1]]王紅勝，張東升，李樹(shù)剛，等.基于基本頂關(guān)鍵巖塊B斷裂線位置的窄煤柱合理寬度的確定[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2014，31(1)：10-16.

[2]查文華，李雪，華心祝，等.基本頂斷裂位置對(duì)窄煤柱護(hù)巷的影響及應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào)，2014，39(S2)：332-338.

[3]張士嶺，秦帥.沿空巷道變形與基本頂斷裂位置關(guān)系數(shù)值模擬[J].煤炭技術(shù)，2014，32(11)：97-99.

[4]錢(qián)鳴高，石平五，徐家林.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2010.

[責(zé)任編輯：王興庫(kù)]

Influence on Gob-side Entry Driving by Strata Fracture Position of Basic Roof

WANG Shuai1，GUI Bing2，WANG Hong-hong1，WU Xiu-guang2，LIU Hao1

(1.Mining & Safety Engineering College，Shandong University of Science & Technology，Qingdao 266590，China；2.Jining Three Number Shaft Coal Mine，Yanzhou Mine Co.，Ltd.，Jining 272169，China)

Abstract：In order to studying influence on narrow coal pillar and gob-side entry stability by fracture position of basic roof，fracture mechanic model of gob-side entry was built，then three different models were studied on the basis of UDEC nonlinear numerical simulation software.The results showed that surrounding rock deformation of entry and coal pillar stress were all large，when fractured line of basic roof located up on the roadway，its disadvantage for god side entry maintenance，but coal side of god side entry deformation was smaller when fractured line of basic roof located out of coal pillar scope，its better for entry maintenance.

Key words：basic roof；fracture position；god side entry driving；numerical simulation；narrow coal pillar

[收稿日期]2015-12-03[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.03.018

[基金項(xiàng)目]國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51374139)；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2013EEM018)

[作者簡(jiǎn)介]王帥(1990-)，男，山東章丘人，碩士研究生，主要從事礦山壓力與支護(hù)和礦山開(kāi)采方面的學(xué)習(xí)研究。

[中圖分類號(hào)]TD322.1

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1006-6225(2016)03-0068-03

[引用格式]王帥， 桂兵 ，王紅紅，等.基本頂巖層斷裂位置對(duì)沿空掘巷影響分析[J].煤礦開(kāi)采，2016，21(3)：68-70.