石窟煤礦工作面回采煤柱穩(wěn)定性分析

宋海龍

(山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)三元石窟煤業(yè)有限公司,山西長治,047500)

1 引言

采場及圍巖穩(wěn)定性的研究是煤炭開采安全的基礎(chǔ)課題,國內(nèi)外學(xué)者針對不同煤層賦存及地質(zhì)條件提出多種假設(shè),其中面對頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定不存在軟弱夾層的情況下組合梁理論應(yīng)用結(jié)果理想。柏建彪[1]等應(yīng)用UDEC模擬軟件分析研究了不同地質(zhì)條件下煤柱穩(wěn)定性與其留設(shè)寬度以及支護(hù)條件的聯(lián)系,并得出支護(hù)后的窄煤柱是圍巖受荷體系的重要部分；范軍平等[2]通過數(shù)值模擬與理論相結(jié)合的方法,揭示了采掘影響下煤柱位移變形規(guī)律,在此基礎(chǔ)上分析了支護(hù)與煤柱共同作用理論在巷道支護(hù)方面的適用性；面對復(fù)雜獨(dú)特的地質(zhì)狀況,針對性的研究采掘擾動對采場圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律不僅可為本礦提供幫助同時對煤礦安全基礎(chǔ)理論研究提供一定的參考。

2 地質(zhì)狀況

石窟煤礦30106工作面開采煤層屬下二疊統(tǒng)山西組下部的3#煤層,煤層賦存相對穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)簡單,該煤層以塊狀為主,內(nèi)生裂隙較發(fā)育,條痕為黑色,玻璃光澤,參差狀—階梯狀斷口,根據(jù)工作面附近的3號鉆孔資料以及兩順槽掘進(jìn)時探明的情況,煤層厚度5.33 m～6.68 m,平均厚度6.10 m,堅固性系數(shù)2～3,整體呈單斜構(gòu)造,傾向313°,走向N43°E,煤層傾角2°～5°,平均傾角3°。煤層及頂?shù)装宓刭|(zhì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 煤層地質(zhì)柱狀圖

3 煤柱變形破壞機(jī)理

煤炭綜采過程中當(dāng)上工作面采掘完畢后,支架前移后采空區(qū)上覆的直接頂垮落基本頂發(fā)生破斷,上部載荷轉(zhuǎn)而由采空區(qū)垮落堆積的矸石和煤柱以及未采掘的煤體共同承擔(dān),基本頂沿采空區(qū)一側(cè)破斷組成懸臂梁結(jié)構(gòu),上覆載荷轉(zhuǎn)移到下部煤柱及實(shí)體煤中。前一工作面采掘之后,煤柱受到的壓力大部來源于上部的巖層載荷,當(dāng)工作面推進(jìn)時,還會受到超前支承壓力的作用。當(dāng)下一工作面掘進(jìn)時,開采造起超前工作面一定距離內(nèi)煤巖體中應(yīng)力集中,此時,煤柱受到超前支承壓力的影響,應(yīng)力集中程度較大[3]。因采區(qū)上部直接頂基本頂?shù)钠茐囊鹈褐细矌r層發(fā)生結(jié)構(gòu)性的變化,由于煤炭采出造成原本暫時穩(wěn)定的基本頂形成的懸臂梁結(jié)構(gòu)發(fā)生破斷下沉,該結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性發(fā)生變化。煤柱因?yàn)槌爸С袎毫蜕细矌r層結(jié)構(gòu)變化,結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)危險指數(shù)增大。然而煤柱受到的載荷大小方向及類型主要由其上覆巖層結(jié)構(gòu)決定,采掘影響逐步趨向穩(wěn)定時,上覆巖體結(jié)構(gòu)保持相對穩(wěn)定,此時煤柱與巖層接觸部分的性質(zhì)和支護(hù)條件對煤柱在荷載影響下的變形影響巨大。

前一個工作面采過后,由于采掘擾動使采場上部巖層出現(xiàn)應(yīng)力重新分布的情況,工作面前方的一定范圍內(nèi)煤巖體以及和采空區(qū)鄰近的煤巖體中出現(xiàn)應(yīng)力集中,臨采空區(qū)一側(cè)的煤柱在水平方向支承力的作用下,發(fā)生塑性變形及破壞,支承壓力對煤體深部產(chǎn)生作用,持續(xù)至支承壓力最大值和煤柱極限強(qiáng)度達(dá)到平衡,同時,煤柱靠近下一工作面回采巷道一側(cè)由于巷道掘進(jìn)使煤柱邊緣發(fā)生塑性變形和破壞,在下工作面開采過程中,煤柱受到超前支承壓力的影響,所承載的載荷增大,煤柱被塑性區(qū)貫通穩(wěn)定性不斷下降[4]。

圖2 煤柱變形破壞示意圖

如圖2所示,因煤層頂?shù)装鍘r層層理均勻,性狀穩(wěn)定煤柱與頂?shù)装褰佑|不受軟弱層影響,同時該礦巷道應(yīng)用錨桿錨索及金屬網(wǎng)支護(hù),煤柱兩邊皆受到側(cè)向力的約束,這樣符合理論中發(fā)生塑性流動破壞的情況。

4 數(shù)值模擬分析

應(yīng)用FLAC3D5.0有限差分模擬軟件進(jìn)行數(shù)值分析,以石窟煤礦30106 工作面進(jìn)行建模,其中模型總體尺寸為長×寬×高=50 m×50 m×50 m,共生成345 000個單元。其中模型中各個巖層力學(xué)參數(shù)具體如表1所示,模擬中將模型底邊界固定,同時限制側(cè)邊界的側(cè)向位移,在模型頂部施加實(shí)際地質(zhì)情況等效的均布荷載,模型經(jīng)過初始平衡后進(jìn)行運(yùn)算。

表1 巖層力學(xué)參數(shù)表

對比回采過程中工作面超前部分煤柱塑性區(qū)的變化,如圖3所示,隨著超前距離的不斷縮小煤柱塑性區(qū)擴(kuò)大,即煤柱塑性破壞程度加重,表現(xiàn)為從30m 到0m塑性區(qū)域增大且沿頂板與煤柱接觸面開始,并且逐漸向底板延伸發(fā)展成為塑性貫通區(qū),這一現(xiàn)象造成煤柱向兩側(cè)變形,這與理論分析一致。

圖3 開采造成工作面煤柱塑性區(qū)分布圖

如圖4 所示,隨著煤柱寬度的增加煤柱中鉛垂應(yīng)力不斷減小,但是根據(jù)應(yīng)力云圖顯示應(yīng)力整體分布情況始終保持馬鞍形即應(yīng)力核區(qū)仍然與極限承載區(qū)域重合,其中應(yīng)力最大值集中于煤柱中心部位。

圖4 煤柱不同高度應(yīng)力對比云圖

圖5 頂板接觸面煤柱應(yīng)力值

如圖5 所示,煤柱應(yīng)力從邊到中心不斷增大經(jīng)過應(yīng)力核區(qū)后向另一邊界逐漸減小,其中最大值為42 MPa,隨著觀測位置的下降極限承載區(qū)不斷擴(kuò)大。

通過應(yīng)用實(shí)際支護(hù)參數(shù)進(jìn)行模擬得出,工作面推進(jìn)后煤柱向兩側(cè)的變形量如圖3 所示,煤柱塑性變形量與距煤柱中心距離相關(guān),距離中心越近側(cè)向塑性變形量越大,且表現(xiàn)為兩側(cè)向相反方向發(fā)生位移,煤柱中心變形幾乎為零,此時煤柱中心豎向應(yīng)力值最小,如圖4所示,煤柱應(yīng)力分布呈現(xiàn)均勻的年輪形,核心承載區(qū)寬度合理表示煤柱在工作面回采過程中雖然會發(fā)生一定量的塑性變形,但是其整體穩(wěn)定性好。

圖6 煤柱側(cè)向變形量曲線圖

5 結(jié)論

(1)通過理論分析與數(shù)值模擬分析確定了適用的煤柱塑性變形規(guī)律,可以為支護(hù)方式的選取提供理論依據(jù)及支護(hù)監(jiān)測重點(diǎn)。

(2)在回采過程中,當(dāng)煤柱與頂?shù)装褰佑|面不存在軟弱夾層的影響時,煤柱發(fā)生塑性流動式破壞為主,且隨著工作面推進(jìn)煤柱逐漸由頂面向底面發(fā)生延伸式的塑性破壞,破壞區(qū)域不斷擴(kuò)大。

(3)煤柱塑性變形量表現(xiàn)為兩側(cè)最大,距離煤柱中心越近其變形量越小,此時煤柱中心豎直向應(yīng)力最大,煤柱整體穩(wěn)定性較好,隨著煤柱寬度的增加煤柱中鉛垂應(yīng)力不斷減小,應(yīng)力核區(qū)的增大使得煤柱更加穩(wěn)定,但煤柱應(yīng)力曲線整體仍然呈馬鞍形變化。