大采高綜放小煤柱沿空掘巷圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

彭林軍 周光華 宋振騏 王金平 何維勝

(1.大連大學(xué)院士創(chuàng)業(yè)園，遼寧省大連市，116622；2.國(guó)能寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，寧夏自治區(qū)銀川市，750011；3.國(guó)能寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司羊場(chǎng)灣煤礦，寧夏自治區(qū)銀川市，750011)

近年來(lái),無(wú)(小)煤柱巷道在我國(guó)取得了較大的發(fā)展[1-3]。隨著煤礦開采強(qiáng)度和深度的增加，沿空掘巷小煤柱巷道受二次采動(dòng)動(dòng)壓影響更為劇烈。因此，研究在不同采動(dòng)條件下，掌握以“巖層運(yùn)動(dòng)和支承壓力分布”為核心[4-11]，建立其動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)力學(xué)模型,實(shí)現(xiàn)由大煤柱護(hù)巷的傳統(tǒng)開采系統(tǒng)向無(wú)(小)煤柱護(hù)巷開采體系的變革,是煤礦開采圍巖破裂災(zāi)變機(jī)理及其控制的關(guān)鍵。

我國(guó)學(xué)者針對(duì)采動(dòng)巷道圍巖控制問(wèn)題，進(jìn)行了大量的相關(guān)研究工作[12-15]，豐富了采動(dòng)巷道圍巖控制理論,解決了大量的小煤柱巷道圍巖控制問(wèn)題；但對(duì)于大采高綜放開采煤柱尺寸對(duì)采動(dòng)巷道的影響程度以及小煤柱異型巷道產(chǎn)生非均勻大變形的力學(xué)本質(zhì)仍需進(jìn)一步研究，要為小煤柱巷道找到更加合理的支護(hù)方案[16-18]。本文針對(duì)羊場(chǎng)灣煤礦小煤柱巷道非均勻大變形控制難題,研究沿空留設(shè)6 m小煤柱時(shí)，回風(fēng)巷道圍巖塑性區(qū)分布形態(tài)與應(yīng)力分布規(guī)律以及采場(chǎng)覆巖結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特征，揭示了小煤柱巷道非均勻變形的機(jī)理，提出具有針對(duì)性的控制對(duì)策并進(jìn)行井下試驗(yàn)，對(duì)支護(hù)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 礦井工作面概況

130205工作面位于羊場(chǎng)灣一號(hào)井田東部，地形低緩平坦，起伏不大，地表為沙丘覆蓋，開采2#煤層，工作面寬度350 m，埋深650 m，煤厚8.2～10.7 m，平均煤厚8.4 m。2#煤層偽頂為炭質(zhì)泥巖，直接頂為粉砂巖、細(xì)砂巖，其上部為中砂巖、細(xì)砂巖。

130205風(fēng)巷開口位于13采區(qū)回風(fēng)下山，機(jī)巷開口位于13采區(qū)膠運(yùn)下山，按設(shè)計(jì)方位349°施工。130205工作面上鄰130203工作面(截至2015年1月19日，工作面已回采完畢)，130205風(fēng)巷與130203機(jī)巷原留設(shè)35 m保安煤柱；工作面北以F201正斷層為界，南側(cè)以13采區(qū)井筒保安煤柱為界，130205工作面下部為原始煤層未進(jìn)行采動(dòng)，無(wú)采掘活動(dòng)影響工作面掘進(jìn)。距離130205工作面最近鉆孔柱狀圖為1916#鉆孔，如圖1所示；1916#鉆孔柱狀巖石力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖1 130205工作面(1916#)鉆孔柱狀圖

表1 130205工作面(1916#)鉆孔巖石力學(xué)參數(shù)

2 小煤柱沿空掘巷計(jì)算模型建立

數(shù)值模型中，各層巖體力學(xué)參數(shù)依據(jù)表1取值。模型的前后、左右邊界施加水平約束，模型的底邊界施加水平及垂直約束，根據(jù)模型的幾何尺寸劃分計(jì)算網(wǎng)格，考慮到模型單元總數(shù)的限制和對(duì)小煤柱沿空巷道圍巖應(yīng)力分析進(jìn)行區(qū)域集中性研究，建立數(shù)值模擬模型如圖2所示。工作面與風(fēng)巷數(shù)值計(jì)算模型如圖3所示。

圖2 三維數(shù)值模型網(wǎng)格圖

圖3 工作面與風(fēng)巷數(shù)值計(jì)算模型

3 風(fēng)巷圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

3.1 風(fēng)巷掘進(jìn)期間穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

由地層變形云圖和巖體位移矢量圖可以看出，風(fēng)巷掘進(jìn)期間，風(fēng)巷周圍巖體變形逐漸增大，尤其是拱頂附近變形值最大，風(fēng)巷掘進(jìn)至距開切眼350 m時(shí)，風(fēng)巷附近變形最大值為114.4 mm。拱頂往上延伸，地層變形收斂幅度很快，向巖體內(nèi)延伸5 m 后，圍巖變形基本在10 mm以內(nèi)。底部最大隆起量約45 mm，由于斷面異形，兩側(cè)邊墻呈現(xiàn)明顯的變形不對(duì)稱分布。掘進(jìn)期間風(fēng)巷小煤柱幫最大變形為45 mm，實(shí)體煤幫最大變形為158 mm；頂板下沉量為114 mm，底鼓量為75 mm。巖體塑性區(qū)分布圖見圖4。

圖4 風(fēng)巷掘進(jìn)350 m巖體塑性區(qū)分布圖

風(fēng)巷掘進(jìn)期間巖體垂直應(yīng)力SZZ(表示巖體最大垂直應(yīng)力)和水平應(yīng)力SXX(表示巖體最大水平應(yīng)力)分布如圖5所示。

由圖5可知，巖體垂直應(yīng)力SZZ分布：風(fēng)巷兩幫應(yīng)力大于頂部和底部，高應(yīng)力區(qū)最大應(yīng)力33.13 MPa，高應(yīng)力區(qū)邊緣距離風(fēng)巷7 m左右，高應(yīng)力區(qū)核心距離風(fēng)巷8.5 m左右；巖體水平應(yīng)力SXX分布， 6 m煤柱在130203工作面幫的頂部SXX應(yīng)力較大，最大值為19.76 MPa。在現(xiàn)有支護(hù)條件下，圍巖未出現(xiàn)明顯較大的拉應(yīng)力，風(fēng)巷整體穩(wěn)定性較好。

3.2 回采期間圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

130205工作面回采期間三維數(shù)值示意圖見圖6。

3.2.1回采期間工作面超前支承壓力分析

對(duì)130205工作面回采期間工作面超前支承壓力分析如圖7所示。

圖5 風(fēng)巷掘進(jìn)期間巖體應(yīng)力分布圖

圖6 工作面數(shù)值模型開挖圖

回采期間工作面超前煤壁0～4 m為塑性區(qū)、低應(yīng)力區(qū)，4～10 m為塑性區(qū)、高應(yīng)力區(qū)，10～14 m為應(yīng)力峰值區(qū)，14～50 m為應(yīng)力高值區(qū)、緩降區(qū)?；夭善陂g工作面超前支承壓力分布如圖8所示。

3.2.2 回采期間工作面處圍巖應(yīng)力分布圖

回采期間工作面處巖體應(yīng)力分布見圖9。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，6 m小煤柱中心處SZZ最大，應(yīng)力值達(dá)8.05 MPa；巖體應(yīng)力SXX主要在6 m小煤柱上部，尤其是靠近130203開采區(qū)上部，最大值為23.55 MPa。另外，應(yīng)力計(jì)算表明，現(xiàn)有支護(hù)條件下，風(fēng)巷受二次動(dòng)壓影響，圍巖并未出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力區(qū)(壓應(yīng)力為負(fù)值，拉應(yīng)力為正值)，6 m小煤幫側(cè)主要受壓，只是在小煤柱煤幫出現(xiàn)較小范圍的拉應(yīng)力區(qū)，其他部位拉應(yīng)力仍小于1.0 MPa，這說(shuō)明現(xiàn)有支護(hù)條件下，回采期間工作面處6 m小煤柱能夠保持整體穩(wěn)定性。

圖7 回采工作面超前支承壓力及塑性區(qū)分布圖

圖8 回采期間工作面超前支承壓力分布曲線圖

3.2.3 回采期間應(yīng)力峰值處風(fēng)巷圍巖塑性區(qū)

回采期間應(yīng)力峰值處圍巖塑性區(qū)分布見圖10。由圖10可知，靠近巷道實(shí)體煤幫回采期間塑性區(qū)并未明顯擴(kuò)展，片幫深度約0.3 m。在小煤柱側(cè)幫的剪切和拉伸塑性區(qū)深度約0.8 m，回采期間應(yīng)力峰值處風(fēng)巷變形計(jì)算結(jié)果也表明小煤柱側(cè)幫變形較大，最大值為560 mm，因此，回采期間應(yīng)力峰值處小煤柱側(cè)幫鼓幫深度約0.6 m。

回采期間應(yīng)力峰值圍巖變形趨勢(shì)見圖11。從圖11可以看出，風(fēng)巷不僅僅在實(shí)體煤幫和6 m煤柱之間存在相對(duì)移近變形，在風(fēng)巷頂部和6 m煤柱之間也發(fā)生了相對(duì)變形，如圖11(a)箭頭所示，風(fēng)巷頂部和6 m煤柱間夾角會(huì)變小，如圖11(b)藍(lán)色的圈表示，以?shī)A角為中心，越遠(yuǎn)離夾角位置的巖體變形趨勢(shì)會(huì)越大。

圖9 風(fēng)巷回采期間巖體應(yīng)力分布圖

回采期間應(yīng)力峰值處巖體變形位移矢量圖見圖12。由圖12可以看出，隨著工作面的推進(jìn)，回采期間應(yīng)力峰值處風(fēng)巷周圍巖體變形逐漸增大，6 m小煤柱幫變形明顯增大，在靠近小煤柱幫深度2.5 m范圍以內(nèi)，風(fēng)巷頂?shù)装逡平繛?30 mm，其中頂板下沉量為460 mm，底鼓量為270 mm。兩幫移近量為870 mm，其中小煤柱幫為560 mm，實(shí)體煤幫為310 mm?；夭善陂g6 m小煤柱支護(hù)結(jié)構(gòu)受力會(huì)增大，需要重點(diǎn)對(duì)6 m小煤柱進(jìn)行加固。

圖10 回采期間應(yīng)力峰值處巖體塑性區(qū)分布圖

圖11 回采期間應(yīng)力峰值圍巖變形趨勢(shì)

3.2.4 回采期間應(yīng)力峰值處風(fēng)巷穩(wěn)定性分析

回采期間工作面處煤層開采巖體塑性區(qū)分布圖與裂隙發(fā)展區(qū)域示意圖見圖12，大采高工作面推進(jìn)過(guò)程中，工作面煤壁在支承壓力作用下，沿推進(jìn)方向在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生破壞。

因此，根據(jù)煤層開采巖體最大應(yīng)力云圖的分布特點(diǎn)以及相對(duì)應(yīng)的煤層塑性區(qū)分布圖，計(jì)算得到的煤壁片幫情況如下：

(1)130205開采面?zhèn)? m煤壁(圖中I區(qū))深度0～2.0 m為拉伸和剪切塑性區(qū)，為典型的鼓出形式破壞，在支承壓力作用下，煤體自身強(qiáng)度的降低導(dǎo)致工作面煤壁外溢，可能造成煤壁的片幫；

(2)130203開采面6 m小煤柱(圖中II區(qū))深度0～1.5 m為拉伸和剪切塑性區(qū)，在支承壓力作用下，煤體自身強(qiáng)度降低導(dǎo)致工作面煤壁外溢，可能造成煤壁的片幫；

(3)風(fēng)巷實(shí)體煤壁(圖中III區(qū))深度0～2.5 m和頂部深度范圍內(nèi)，巖體破碎較嚴(yán)重，存在剝落趨勢(shì)；

(4)6 m小煤柱中心2.0～4.5 m范圍內(nèi)盡管部分煤層進(jìn)入塑性區(qū)，但主要為剪切塑性區(qū)，最小主應(yīng)力為壓應(yīng)力，并不存在片幫，巖體破碎程度不劇烈。

綜合分析表明，6 m小煤柱中心處約有1.5 m是非破碎區(qū)。

圖12 巖體塑性區(qū)分布圖與裂隙重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域

4 結(jié)論

(1)通過(guò)數(shù)值模擬分析得出，小煤柱風(fēng)巷巖體塑性區(qū)范圍為0～10 m，高應(yīng)力區(qū)范圍為10～14 m；14～50 m為應(yīng)力高值區(qū)、緩降區(qū)。130205沿空巷道區(qū)段煤柱留設(shè)6 m寬度在塑形區(qū)范圍內(nèi)，尺寸合理。

(2)風(fēng)巷掘進(jìn)期間頂?shù)装逡平?89 mm，兩幫移近量203 mm?；夭善陂g工作面峰值處，風(fēng)巷頂?shù)装逡平?30 mm，兩幫移近量870 mm。6 m小煤柱中心處約有1.5 m是非破碎區(qū)。

(3)區(qū)段煤柱應(yīng)在滿足安全生產(chǎn)的前提下，盡量減少煤柱寬度，從而將回采巷道完全布置在應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，更有利于巷道的維護(hù)、煤柱的穩(wěn)定性，達(dá)到安全高效生產(chǎn)。