復(fù)雜采動(dòng)條件下煤礦巷道圍巖穩(wěn)定性研究

蔣金泉 李小裕 張培鵬 丁 楠 鄭有雷

(1. 山東科技大學(xué)礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東省泰安市，271000；2.兗礦集團(tuán)有限公司濟(jì)寧三號(hào)煤礦，山東省濟(jì)寧市，272171)

科學(xué)合理的巷道層位布置及其與工作面之間的采掘關(guān)系對(duì)于巷道圍巖穩(wěn)定性至關(guān)重要。本文基于濟(jì)三礦實(shí)際工程地質(zhì)條件，采用有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件FLAC3D，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)3種不同巷道層位及其與工作面采掘關(guān)系的模擬方案，研究巷道在復(fù)雜采動(dòng)應(yīng)力條件下圍巖穩(wěn)定性規(guī)律。

1 工程背景及模型設(shè)計(jì)

1.1 工程背景

183下05工作面位于18#煤層采區(qū)下回風(fēng)巷的北側(cè)，東鄰183下04工作面，西鄰183下06工作面，南至設(shè)計(jì)停采線，工作面北部上方為183上06(北)采空區(qū)(于2014年05月09日停采)，工作面南部上方為183上06(南)工作面(未開采)和183上05采空區(qū)，西側(cè)為183上07工作面(正準(zhǔn)備)，東側(cè)為183上04采空區(qū)183下05工作面膠帶運(yùn)輸平巷位于工作面西側(cè)，同煤層膠帶運(yùn)輸平巷西側(cè)為未開采區(qū)域，西側(cè)3上煤層為183上07工作面(正準(zhǔn)備)。膠帶運(yùn)輸平巷北段位于上煤層183上06(北)采空區(qū)下方，向采空區(qū)內(nèi)錯(cuò)距離為20 m；南段位于183上06(南)工作面(未開采)下方。

目前183下05膠帶運(yùn)輸平巷已掘進(jìn)至183上06(北)采空區(qū)下方，掘進(jìn)頭位于183上06(北)工作面停采線北側(cè)約45 m處，剩余1040 m尚未掘進(jìn)。根據(jù)工作面開采設(shè)計(jì)，膠帶運(yùn)輸平巷原則上沿底板掘進(jìn)，巷道設(shè)計(jì)為矩形斷面，高3.8 m，寬4.8 m。平均埋藏深度820 m。

膠帶運(yùn)輸平巷所在煤層為山西組3下煤層，煤層厚2.30～5.54 m，平均厚4.20 m，煤層傾角最大7°，平均3°。上方3上煤層厚0～4.1 m，平均厚2.20 m。北部區(qū)域3上煤層與3下煤層間距13～30 m，平均21.5 m。

1.2 模型設(shè)計(jì)

運(yùn)用FLAC3D5.0數(shù)值模擬軟件對(duì)3上煤層工作面及開采過程進(jìn)行數(shù)值模擬，模型以濟(jì)三礦地質(zhì)資料，183上07工作面、183上06工作面膠帶運(yùn)輸平巷采掘工程平面圖和綜合柱狀圖等為設(shè)計(jì)依據(jù)，進(jìn)行三維數(shù)值模擬，煤巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1，所建模型如圖1所示。

圖1 三維數(shù)值模型

表1 模型各巖層的巖石物理力學(xué)參數(shù)

設(shè)計(jì)模型走向長度800 m，傾向長度700 m，厚174 m。在走向方向上前后各留設(shè)100 m的煤柱，傾向方向上在183上06工作面一側(cè)留設(shè)100 m煤柱，因183上07工作面較寬，邊界煤柱的留設(shè)與否對(duì)于開采垮落穩(wěn)定后巷道圍巖應(yīng)力效果影響較小，所以在其一側(cè)不留設(shè)煤柱。

模型選用FLAC軟件自帶的應(yīng)變軟化力學(xué)模型，巖性層位及其參數(shù)均按照實(shí)際給定的地質(zhì)資料而設(shè)定。

2 開采方案設(shè)計(jì)

根據(jù)183下05工作面膠帶運(yùn)輸平巷布置層位以及與183上07工作面之間的采掘關(guān)系，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，模擬3種方案：

(1)方案一：183下05工作面膠帶運(yùn)輸平巷先沿底板掘進(jìn)，183上07工作面后回采；

(2)方案二：183下05工作面膠帶運(yùn)輸平巷先沿頂板掘進(jìn)，183上07工作面后回采；

(3)方案三：183上07工作面先回采；183下05工作面膠帶運(yùn)輸平巷沿頂板掘進(jìn)。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 方案一

183下05工作面膠帶運(yùn)輸平巷先沿底板掘進(jìn)，183上07工作面后回采，在183上07工作面采動(dòng)及超前支承壓力與側(cè)向支承壓力疊加期間對(duì)膠帶運(yùn)輸平巷巷道的變形破壞影響最大，因此，主要研究183上07工作面回采過程中超前支承壓力與側(cè)向支承壓力疊加影響區(qū)域的巷道圍巖采動(dòng)應(yīng)力分布和變形破壞規(guī)律。

方案一巷道垂直應(yīng)力分布云圖如圖2所示。由圖2可知，巷道開挖后，在巷道兩側(cè)煤體內(nèi)形成應(yīng)力集中，其中巷道靠近183上07工作面幫側(cè)支承壓力峰值大于另外一幫，最大支承壓力為27 MPa，且受183上07工作面底板傳播應(yīng)力影響嚴(yán)重，如圖3所示。巷道采空區(qū)側(cè)幫部側(cè)向支承壓力明顯降低，最大支承壓力為22 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)僅1.14，基本上不受183上07工作面底板傳播應(yīng)力的影響。

圖2 方案一巷道圍巖垂直應(yīng)力分布云圖

膠帶運(yùn)輸平巷開掘后，巷道周圍水平應(yīng)力分布和開掘前出現(xiàn)明顯的不同，巷道頂板內(nèi)出現(xiàn)明顯的水平應(yīng)力集中現(xiàn)象，在巷道兩側(cè)煤體內(nèi)同樣出現(xiàn)水平應(yīng)力集中現(xiàn)象，如圖4所示。183上07工作面?zhèn)认锏缼筒克綉?yīng)力最大值為15 MPa，采空區(qū)側(cè)幫部水平應(yīng)力最大值為14.6 MPa，巷道兩幫水平應(yīng)力集中最大值相差不大，183上07工作面?zhèn)认锏缼筒克綉?yīng)力略大于采空區(qū)側(cè)，如圖5所示。分析原因主要是由于巷道頂板失去支撐，頂板出現(xiàn)下沉，在183上07工作面底板水平應(yīng)力作用下下沉加劇，巖層內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，而巷道兩幫由于圍巖采動(dòng)應(yīng)力的作用，煤體間產(chǎn)生水平擠壓現(xiàn)象，形成了水平應(yīng)力。

圖3 方案一巷道垂直應(yīng)力變化曲線圖

圖4 方案一巷道圍巖水平應(yīng)力分布云圖

圖5 方案一巷道水平應(yīng)力變化曲線圖

膠帶運(yùn)輸平巷成巷后，在3上煤層底板應(yīng)力和巷道圍巖采動(dòng)應(yīng)力疊加作用下，巷道圍巖發(fā)生變形破壞，如圖6～圖8所示。

由圖6可以看出，183上07工作面?zhèn)饶z帶運(yùn)輸平巷幫部最大變形位移為577 mm，采空區(qū)側(cè)幫部最大變形位移為348 mm，183上07工作面?zhèn)葞筒课灰屏棵黠@大于采空區(qū)側(cè)幫部，主要是由于183上07工作面?zhèn)却怪睉?yīng)力明顯大于巷道采空區(qū)側(cè)幫部，造成工作面?zhèn)葞筒棵后w破壞嚴(yán)重，變形位移量大。

圖6 方案一巷道圍巖水平位移云圖

由圖7可以看出，膠順巷道頂板最大下沉量為131 mm，底板底鼓量為84 mm，頂板下沉量大于底板底鼓量，主要是由于巷道沿底板掘進(jìn)，頂板為煤層。

圖7 方案一巷道圍巖垂直位移云圖

由圖8可以看出，巷道周圍煤體破壞以剪切破壞為主，主要是在垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力作用下發(fā)生壓剪破壞。當(dāng)巷道煤體發(fā)生破壞后，圍巖向巷道空間產(chǎn)生運(yùn)移，此時(shí)巷道圍巖表面由于彎曲變形過大產(chǎn)生一定程度彎拉破壞。

圖8 方案一巷道圍巖塑性破壞區(qū)圖

3.2 方案二

方案二和方案一的采掘順序相同，但在方案二中，膠帶運(yùn)輸平巷沿頂板掘進(jìn)。

方案二巷道圍巖垂直應(yīng)力分布云圖如圖9所示，方案二巷道圍巖水平應(yīng)力分布云圖如圖10所示。由圖9和圖10可知，對(duì)于膠帶運(yùn)輸平巷沿頂板掘進(jìn)，巷道兩幫垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力與巷道沿底板掘進(jìn)變化不大，基本一致。

圖9 方案二巷道圍巖垂直應(yīng)力分布云圖

圖10 方案二巷道圍巖水平應(yīng)力分布云圖

方案二膠帶運(yùn)輸平巷沿頂板掘進(jìn)巷道水平位移云圖如圖11所示。由圖11可知，183上07工作面?zhèn)饶z帶運(yùn)輸平巷幫部最大變形位移為538 mm，采空區(qū)側(cè)幫部最大變形位移為329 mm，同樣183上07工作面?zhèn)葞筒课灰屏棵黠@大于采空區(qū)側(cè)幫部。

圖11 方案二巷道圍巖水平位移云圖

與巷道沿底板掘進(jìn)相比，兩幫位移量均出現(xiàn)降低現(xiàn)象，183上07工作面?zhèn)饶z帶運(yùn)輸平巷幫部變形量減小6.7%，采空區(qū)幫巷道圍巖變形量減小5.5%。

方案二膠帶運(yùn)輸平巷沿頂板掘進(jìn)巷道垂直位移云圖如圖12所示。由圖12可知，巷道頂板最大下沉量為124 mm，底板底鼓量243 mm，此時(shí)巷道底板底鼓量明顯大于頂板下沉量。

圖12 方案二巷道圍巖垂直位移云圖

與巷道沿底板掘進(jìn)相比，巷道頂板下沉量出現(xiàn)降低，但僅下降5.3%，巷道底板底鼓量明顯增大，增大了近189%。

方案二巷道圍巖塑性破壞區(qū)圖如圖13所示。由圖13可知，巷道圍巖同樣以剪切破壞為主，并且在巷道圍巖表面，由于變形量大，造成圍巖表面彎曲變形大，出現(xiàn)不同程度拉破壞。

圖13 方案二巷道圍巖塑性破壞區(qū)圖

綜上所述，與巷道沿底板掘進(jìn)相比，巷道沿頂板掘進(jìn)，兩幫位移量出現(xiàn)一定程度的降低，但是底板底鼓量顯著增大。由此可見，底板水平應(yīng)力集中程度明顯高于頂板，巷道沿頂板掘進(jìn)，底板在水平應(yīng)力作用下易發(fā)生壓剪破壞，出現(xiàn)底鼓。若底鼓變形速度緩慢，將會(huì)造成二次臥底，影響巷道運(yùn)輸；若巷道底鼓瞬間發(fā)生，將會(huì)誘發(fā)底板沖擊動(dòng)力災(zāi)害，造成沖擊地壓事故，嚴(yán)重影響工作面的安全生產(chǎn)，威脅井下人員的生命健康。因此，對(duì)于183下05工作面膠帶運(yùn)輸平巷，沿底板掘進(jìn)更加安全合理。

3.3 方案三

183上07工作面先回采，183下05工作面膠帶運(yùn)輸平巷先沿底板掘進(jìn)，即在183上07工作面采動(dòng)及超前支承壓力與側(cè)向支承壓力疊加對(duì)底板破壞影響后掘進(jìn)巷道。因此，此次研究183上07工作面膠帶運(yùn)輸平巷圍巖采動(dòng)應(yīng)力分布和變形破壞規(guī)律。

方案三膠帶運(yùn)輸平巷垂直應(yīng)力分布云圖如圖14所示。由圖14可知，膠帶運(yùn)輸平巷開挖后，在巷道兩側(cè)煤體內(nèi)形成應(yīng)力集中，其中巷道靠近183上07采空區(qū)幫側(cè)支承壓力峰值略大于另外一幫，最大支承壓力為32 MPa，183上06(北)采空區(qū)側(cè)幫部側(cè)最大支承壓力為30 MPa，巷道幫部應(yīng)力集中系數(shù)為1.6，明顯大于方案一巷道兩幫的垂直應(yīng)力，如圖15所示。這主要是由于183上07工作面開采后，由于3上煤層開采范圍大，上覆巖層達(dá)到充分垮落，183下05工作面膠順基本位于傾向采空區(qū)中部，上覆垮落巖層已經(jīng)壓實(shí)，巷道圍巖基本處于原巖應(yīng)力狀態(tài)，另外由于巷道埋深大，因此兩幫應(yīng)力集中程度高。

圖14 方案三巷道圍巖垂直應(yīng)力分布云圖

圖15 方案三巷道垂直應(yīng)力變化曲線圖

183上07工作面開采后，膠帶運(yùn)輸平巷位于采空區(qū)壓實(shí)區(qū)下方，巷道兩側(cè)均為采空區(qū)，因此在巷道兩幫形成基本對(duì)稱的水平應(yīng)力集中，如圖16所示。膠帶運(yùn)輸平巷兩幫水平應(yīng)力最大值相等，均為15.6 MPa，如圖17所示。

方案三巷道水平位移云圖如圖18所示。由圖18可知，183上07采空區(qū)側(cè)膠帶運(yùn)輸平巷幫部最大變形位移為437 mm，方案一與方案三相比，183上07采空區(qū)側(cè)幫部增加了32%。183上06(北)采空區(qū)側(cè)幫部最大變形位移為322 mm。

圖16 方案三巷道圍巖水平應(yīng)力分布云圖

圖17 方案三巷道水平應(yīng)力變化曲線圖

圖18 方案三巷道圍巖水平位移云圖

方案三巷道垂直位移云圖如圖19所示。由圖19可知，膠帶運(yùn)輸平巷頂板最大下沉量為202 mm，底板底鼓量為138 mm，與方案一相比，頂板下沉量和巷道底鼓量均明顯增大，主要是由于采空區(qū)上覆巖層垮落壓實(shí)，巷道圍巖處于原巖應(yīng)力狀態(tài)水平應(yīng)力集中成度高，巷道變形量大。

方案三巷道圍巖塑性破壞區(qū)圖如圖20所示。由圖20可知，巷道周圍煤體破壞同樣以剪切破壞為主，主要是在垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力作用下發(fā)生壓剪破壞，巷道圍巖表面同樣由于彎曲變形過大產(chǎn)生一定程度彎拉破壞。

圖19 方案三巷道圍巖垂直位移云圖

圖20 方案三巷道圍巖塑性破壞區(qū)圖

由此可見，對(duì)于方案三，其巷道頂?shù)装遄畲笞冃瘟棵黠@大于方案一，兩幫最大變形量與方案一區(qū)別不大；但根據(jù)方案一，先掘進(jìn)183下05工作面還將有利于后期工作面接續(xù)。

綜合分析，優(yōu)先選擇方案一，即先掘進(jìn)183下05工作面膠帶運(yùn)輸平巷，后開采183上07工作面，且沿底板掘進(jìn)。

4 結(jié)論

通過設(shè)計(jì)3種采掘方案進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究得到方案二與方案一相比圍巖垂直及水平應(yīng)力區(qū)別小，方案二兩幫移近量較方案一略小，但是底板底鼓量顯著增大。因此，膠帶運(yùn)輸平巷沿底板掘進(jìn)更加安全合理。

方案三巷道兩幫的垂直應(yīng)力明顯大于方案一，頂板下沉和巷道底鼓量均明顯增大，兩幫最大變形量與方案一區(qū)別不大，但按照方案一，先掘進(jìn)183下05工作面有利于后期工作面接續(xù)。綜合分析，采用方案一更加合理，本研究可以為相似地質(zhì)條件下采掘方案布置提供一定的參考。