空巷影響下的煤柱綜放面圍巖活動(dòng)規(guī)律模擬分析

李思佯

（潞安環(huán)能股份有限公司王莊煤礦，山西 長(zhǎng)治 046031）

王莊煤礦采用的長(zhǎng)壁綜采工藝，留存了相當(dāng)數(shù)量的殘留護(hù)巷煤柱，這些煤柱總體上賦存較穩(wěn)定，煤層頂?shù)装鍡l件較好，煤層厚度較大，具有很高的開采價(jià)值。隨著礦井資源的逐漸枯竭，煤柱開采成為必要選項(xiàng)。然而，煤柱附近都為采空區(qū)，原有設(shè)計(jì)工作面回采后的運(yùn)輸、回風(fēng)等殘留空巷，造成空巷圍巖壓力集聚，使煤柱工作面面臨的空頂面積明顯增大，極易造成冒頂、垮落，工作面兩巷圍巖變形更加劇烈。為了確保煤柱工作面的正?；夭?，必須充分認(rèn)識(shí)工作面過空巷的圍巖活動(dòng)規(guī)律，以便采取合理的圍巖預(yù)加固方法和安全技術(shù)措施。本文以王莊煤礦6212工作面為例，對(duì)工作面圍巖活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析。

1 工程概況

6212煤柱工作面東北為6210與6209已采工作面，西北為實(shí)體煤，東南為6208在采工作面，西南接630/3皮帶巷。3號(hào)煤層厚度穩(wěn)定，均厚6.9m，煤層底板標(biāo)高622～634m，煤層傾角1°～4°?；夭蛇^程中會(huì)遇到很多空巷，見圖1。從空巷所處層位來(lái)看，有的空巷與工作面兩巷一樣，沿3號(hào)煤層底板掘進(jìn)，如62上山皮帶巷、62上皮水倉(cāng)、6209風(fēng)巷；剩余的空巷基本上都是沿3號(hào)煤層頂板掘進(jìn)，主要包括采區(qū)回風(fēng)、配風(fēng)巷道、740水平回風(fēng)巷道等?？障锱c6212煤柱工作面交錯(cuò)分布，夾角呈現(xiàn)29°～90°不等。

圖1 6212工作面內(nèi)空巷分布圖

2 數(shù)值模擬模型的建立

為了揭示在空巷影響下6212煤柱綜放工作面圍巖活動(dòng)規(guī)律，基于FLAC3D數(shù)值模擬軟件，根據(jù)王莊煤礦6212工作面實(shí)際工程地質(zhì)條件，構(gòu)建了相似數(shù)值模擬模型，見圖2、圖3。6212工作面及6208采空區(qū)各取100m，區(qū)段窄煤柱按5m取，模型中6212工作面共存在5條空巷，空巷在6212工作面分布位置如圖3所示。模型尺寸長(zhǎng)×寬×高為270m×270m×22.5m，Y方向?yàn)楣ぷ髅婊夭煞较?。模型的邊界條件為：根據(jù)工作面標(biāo)高和地面標(biāo)高計(jì)算平均埋深約為377m，上覆巖層容重按25kN/m3考慮計(jì)算，因此在模型上部邊界施加9.4MPa的垂直應(yīng)力，以便固定模型邊界位移量，構(gòu)建力學(xué)本構(gòu)模型。根據(jù)工作面5條空巷賦存位置的不同可分為頂煤空巷和底煤空巷。針對(duì)頂煤空巷和底煤空巷分別進(jìn)行分析，主要包括總工作面頂、底板斜交空巷，回采遇見空巷交叉點(diǎn)等過程中，空巷圍巖的應(yīng)力變化情況。工作面每推進(jìn)一次計(jì)算5000steps，針對(duì)不同工作面回采位置，沿著空巷走向方向進(jìn)行切面處理并出圖分析。

圖2 6212煤柱工作面數(shù)值模擬模型

圖3 模型中空巷位置示意圖

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 工作面回采過程中頂煤斜交空巷活動(dòng)規(guī)律

6212工作面回采過程中，頂煤斜交空巷靠近采空區(qū)側(cè)，受到臨近采空區(qū)壓力影響發(fā)生了應(yīng)力變形，但由于工作面距離空巷較遠(yuǎn)，未形成圍巖破壞增大區(qū)。當(dāng)工作面距離空巷由30m減小到10m時(shí)，圍巖破壞區(qū)范圍增大，主要分布在空巷靠近實(shí)體煤側(cè)頂板，而隨著工作面距離空巷的進(jìn)一步減小，頂板塑性破壞區(qū)范圍進(jìn)一步增大，垂直圍巖應(yīng)力達(dá)到20MPa左右，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到1.8，水平應(yīng)力急劇上升，達(dá)到80～100MPa。當(dāng)工作面推進(jìn)到空巷位置時(shí)，沿空巷走向方向約一半長(zhǎng)度發(fā)生了塑形變形破壞，垂直圍巖應(yīng)力達(dá)到25MPa，而水平應(yīng)力又恢復(fù)至20MPa左右。在此過程中，空巷周邊圍巖水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力，水平應(yīng)力在20～50MPa范圍內(nèi)波動(dòng)。受到6212工作面回采超前動(dòng)壓影響，空巷周邊圍巖塑性變形區(qū)域繼續(xù)增大，當(dāng)工作面切割空巷24m時(shí)（工作面推進(jìn)到空巷走向長(zhǎng)約1/3處），空巷周邊圍巖完全進(jìn)入塑性區(qū)，直至工作面通過空巷。如圖4所示。

圖4 空巷距離工作面不同位置圍巖塑性區(qū)分布

3.2 工作面回采過程中底煤斜交空巷活動(dòng)規(guī)律

6212工作面距離空巷30m時(shí)，工作面正在切割頂板空巷，受到回采動(dòng)壓及空巷的雙重影響，空巷周邊圍巖垂直應(yīng)力增加到10MPa左右，見圖5（a）。工作面距離空巷20m時(shí)，在空巷靠近實(shí)體煤側(cè)頂板出現(xiàn)塑性破壞，空巷周邊圍巖應(yīng)力最大可達(dá)20MPa，見圖5（b）。工作面距離空巷由20m減小至5m時(shí)，塑性變形破壞區(qū)域持續(xù)增大，主要集中在空巷頂板，見圖5（c）。工作面推進(jìn)到空巷位置時(shí)，沿空巷走向方向約一多半長(zhǎng)度發(fā)生塑性變形破壞，見圖5（d）。空巷周邊圍巖水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力，水平應(yīng)力在20～50MPa范圍內(nèi)波動(dòng)。

3.3 工作面回采過程中交叉點(diǎn)圍巖活動(dòng)規(guī)律

由于原6209風(fēng)巷和6212風(fēng)巷與62上山軌道巷的兩個(gè)交叉點(diǎn)距離很近，交叉點(diǎn)附近的較大范圍的圍巖一定處于應(yīng)力疊加影響區(qū)中，特別是原6209風(fēng)巷和6212風(fēng)巷之間的整個(gè)窄煤柱受到應(yīng)力疊加的影響最嚴(yán)重，特別容易發(fā)生變形和破壞。在所有交叉點(diǎn)中，6212工作面回采通過該處的交叉點(diǎn)難度最高，因此需對(duì)工作面推進(jìn)過程中該處交叉點(diǎn)圍巖變形和受力情況進(jìn)行分析。模擬結(jié)果顯示，工作面與交叉點(diǎn)距離從40m推進(jìn)至20m范圍內(nèi)，交叉點(diǎn)附近圍巖逐漸從半塑性狀態(tài)進(jìn)入完全塑性區(qū)，而隨著距離的不斷減小，塑性區(qū)范圍逐漸擴(kuò)展至交叉點(diǎn)附近，當(dāng)推進(jìn)到交叉點(diǎn)處時(shí)，空巷一半以上圍巖均進(jìn)入塑性變形狀態(tài)。在此過程中，垂直應(yīng)力可達(dá)到100～200MPa，水平應(yīng)力可達(dá)到 50～100MPa，應(yīng)力集中系數(shù)最高。如圖6所示。

圖5 空巷距離工作面不同位置圍巖塑性區(qū)分布

圖6 工作面前方不同位置交叉點(diǎn)塑性區(qū)分布

4 結(jié) 語(yǔ)

數(shù)值模擬結(jié)果表明，受6212煤柱綜放工作面回采的影響，不同層位空巷圍巖發(fā)生的變形破壞規(guī)律不同，但空巷圍巖變形破壞程度都較嚴(yán)重，而隨著回采工作面與空巷距離的減小，圍巖變形破壞程度更為集中。為了保證煤炭資源的安全回采，必須針對(duì)空巷與工作面間的位置關(guān)系提出相應(yīng)的空巷預(yù)加固措施，并提出相應(yīng)的過空巷安全技術(shù)措施。本研究成果為6212煤柱工作面提出針對(duì)性的空巷加固措施和過空巷安全技術(shù)措施，提供了理論支撐。