采動(dòng)影響下雙巷掘進(jìn)煤柱承載特征研究

范文生，劉曉東

(1.山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司, 山西 太原 030024； 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院, 江蘇 徐州 221116)

雙巷掘進(jìn)作為一種巷道布置的方式在國(guó)內(nèi)外煤礦中使用較廣，不僅有利于采掘接替而且可以解決高瓦斯礦井的上隅角和回風(fēng)巷瓦斯超限問(wèn)題[1-3]. 雙巷中間的煤柱需要經(jīng)過(guò)掘進(jìn)擾動(dòng)、本工作面一次采動(dòng)和下工作面二次采動(dòng)的影響，其穩(wěn)定性對(duì)保護(hù)巷道穩(wěn)定起重要作用。

雙巷掘進(jìn)一般是本工作面的回風(fēng)巷和下工作面的運(yùn)輸巷同時(shí)掘進(jìn)，中間留設(shè)合理的煤柱寬度以保護(hù)巷道圍巖穩(wěn)定[4]. 文獻(xiàn)[5] 認(rèn)為工作面采動(dòng)影響下煤柱保持穩(wěn)定的條件是：中間彈性區(qū)的寬度是煤柱高度的兩倍，合理的煤柱寬度為兩側(cè)塑性區(qū)寬度與中間彈性區(qū)域?qū)挾鹊暮汀Ｎ墨I(xiàn)[6]采用UDEC-Trigon模型研究了雙巷保護(hù)煤柱在采動(dòng)影響期間的裂隙擴(kuò)展規(guī)律，認(rèn)為當(dāng)煤柱內(nèi)裂隙貫通時(shí)發(fā)生屈服喪失承載能力，為保持穩(wěn)定內(nèi)部必須有彈性承載區(qū)。文獻(xiàn)[7]結(jié)合具體的工程實(shí)踐，采用理論分析與數(shù)值模擬的方法研究了區(qū)段煤柱的應(yīng)力分布規(guī)律和強(qiáng)度分布特征。文獻(xiàn)[8]將雙巷煤柱劃分為破碎區(qū)、相對(duì)穩(wěn)定區(qū)和錨桿支護(hù)區(qū)3個(gè)區(qū)域，采用極限平衡理論分析了一次采動(dòng)后的煤柱的穩(wěn)定性?，F(xiàn)有文獻(xiàn)主要對(duì)合理煤柱寬度進(jìn)行確定，對(duì)雙巷煤柱在采動(dòng)影響過(guò)程中的受力特征分析較少。

以山西某礦雙巷掘進(jìn)為工程背景，建立FLAC3D數(shù)值模型，分析雙巷煤柱在全動(dòng)壓影響過(guò)程中的塑性區(qū)和應(yīng)力演化特征，為煤柱的安全留設(shè)提供指導(dǎo)。

1 生產(chǎn)地質(zhì)條件

山西某礦主采3#煤層，3106、3107工作面位于一采區(qū)大巷東北側(cè)，東南部為二采區(qū)大巷，東北部、西北部、西南部均為未采區(qū)。該煤層埋深平均300 m，平均厚度3.0 m，直接頂為1.4～3.0 m厚的粉砂巖，基本頂為2～10 m厚的砂質(zhì)泥巖；煤層傾角平均5°，屬于近水平煤層；3106回風(fēng)順槽和3107進(jìn)風(fēng)順槽采用雙巷掘進(jìn)布置回采巷道。采掘工程示意圖見(jiàn)圖1.

圖1 采掘工程示意圖

2 雙巷煤柱承載特性演化特征

2.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件采用FLAC3D巖土工程軟件建立數(shù)值模型，模型厚60 m，寬度150 m，長(zhǎng)度200 m，包括7層巖層。模型兩側(cè)邊界及前后邊界均施加水平位移約束，底部邊界施加垂直位移約束，上部邊界施加7.5 MPa 的均布載荷，煤層采用應(yīng)變軟化模型，其余巖層采用Mohr-Coulomb模型。數(shù)值計(jì)算模型見(jiàn)圖2，模型中的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1.

圖2 數(shù)值計(jì)算模型圖

表1 模型中的物理力學(xué)參數(shù)表

數(shù)值模型計(jì)算過(guò)程為：建立數(shù)值計(jì)算模型→原巖應(yīng)力平衡計(jì)算→雙巷同時(shí)掘進(jìn)計(jì)算→3106工作面回采計(jì)算→3107工作面回采計(jì)算→計(jì)算結(jié)果輸出與分析。在給定圍巖力學(xué)參數(shù)條件下，只考慮煤柱寬度變化對(duì)煤柱承載的影響，選擇4 m、6 m、8 m、12 m煤柱4個(gè)方案進(jìn)行模擬，通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的分析，找出煤柱承載規(guī)律的變化，選擇最優(yōu)的煤柱寬度。

2.2 雙巷掘進(jìn)期間煤柱承載特征

1) 塑性區(qū)分布特征。

不同煤柱寬度下，雙巷掘進(jìn)煤柱塑性區(qū)分布見(jiàn)圖3. 由圖3可知，在區(qū)段煤柱寬度不同的條件下，隨著巷道的開挖，巷道圍巖內(nèi)發(fā)生破壞且都是剪切破壞。當(dāng)巷道寬度為4 m時(shí)，巷道圍巖在掘進(jìn)時(shí)發(fā)生剪切破壞，破壞深度幫部為2 m，頂?shù)撞繛? m，4 m區(qū)段煤柱被剪切破壞貫通；當(dāng)巷道寬度大于4 m時(shí)，隨巷道開挖，圍巖也發(fā)生剪切破壞，破壞深度大致和留設(shè)4 m煤柱時(shí)相同，但由于留設(shè)的煤柱寬度大于4 m，在區(qū)段煤柱中間留有一定的彈性核，6 m煤柱時(shí)彈性核占區(qū)段煤柱的2/3，8 m、12 m煤柱時(shí)，彈性核占區(qū)段煤柱的2/3以上。

圖3 不同煤柱寬度下煤柱塑性區(qū)分布圖

2) 垂直應(yīng)力分布特征。

不同區(qū)段煤柱下，雙巷掘進(jìn)時(shí)區(qū)段煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力分布見(jiàn)圖4. 由圖4可知，巷道開挖時(shí)，隨煤柱寬度的增加，區(qū)段煤柱內(nèi)的應(yīng)力由單峰狀向拱形變化，在煤柱寬度為4 m時(shí)，煤柱內(nèi)的峰值應(yīng)力最高，為9.8 MPa,隨區(qū)段煤柱寬度增加，區(qū)段煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力峰值在減小；煤柱寬度6 m、8 m時(shí)，區(qū)段煤柱內(nèi)的峰值應(yīng)力相近為8.2 MPa；當(dāng)區(qū)段煤柱為12 m時(shí)，區(qū)段煤柱內(nèi)的峰值應(yīng)力最小為8 MPa.

圖4 不同煤柱寬度下煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力曲線圖

2.3 一次采動(dòng)期間煤柱承載特征

1) 塑性區(qū)分布特征。

選擇3106工作面后方20 m位置進(jìn)行研究，得到一次采動(dòng)后不同煤柱寬度的塑性區(qū)分布，見(jiàn)圖5. 圖5中，4 m、6 m和8 m煤柱經(jīng)歷一次采動(dòng)后，在工作面后方20 m全部進(jìn)入塑性破壞而且變形越來(lái)越大，破壞方式為剪切破壞；當(dāng)區(qū)段煤柱為12 m時(shí)，在工作面區(qū)和工作面后20 m處，雖然塑性區(qū)在區(qū)段煤柱兩幫增大，但煤柱中間仍保存有彈性區(qū)。

圖5 一次采動(dòng)影響后不同煤柱寬度下煤柱塑性區(qū)分布圖

2) 垂直應(yīng)力分布特征。

一次采動(dòng)后煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力分布特征見(jiàn)圖6. 在工作面后方20 m處，4 m煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力為6.8 MPa，低于原巖應(yīng)力7.5 MPa,說(shuō)明在3106工作面回采后已成為屈服煤柱。6 m煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力呈“馬鞍型”雙峰值分布，最大應(yīng)力為10.5 MPa，超過(guò)原巖應(yīng)力，煤柱內(nèi)部承載范圍約為3 m，說(shuō)明6 m煤柱在一次采動(dòng)以后是塑性承載煤柱。8 m煤柱的垂直應(yīng)力最大為10.7 MPa，煤柱內(nèi)部承載范圍約為5 m，煤柱具有較高的承載力。12 m煤柱的垂直應(yīng)力最大為11.9 MPa，其內(nèi)部存在彈性承載區(qū)，范圍約為9 m，說(shuō)明煤柱承載效果較好。對(duì)比分析可知，煤柱寬度越大，一次采動(dòng)后的垂直應(yīng)力越高，而且內(nèi)部的承載范圍越大，由塑性承載逐漸轉(zhuǎn)化為彈性承載。

圖6 不同煤柱寬度下煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力曲線圖

2.4 二次采動(dòng)期間煤柱承載特征

1) 塑性區(qū)分布特征。

3107工作面回采后，選擇超前工作面10 m位置的斷面進(jìn)行分析，得到二次采動(dòng)后不同煤柱寬度的塑性區(qū)分布，見(jiàn)圖7. 4 m煤柱在3106工作面回采時(shí)，在工作面后方煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力低于原巖應(yīng)力且變形較大，故在二次回采時(shí)不做分析。由圖7可知，煤柱的破壞方式為剪切破壞，塑性區(qū)的范圍變化較大，6 m和8 m煤柱超前10 m的塑性區(qū)范圍較一次回采時(shí)增大；12 m煤柱時(shí)塑性區(qū)雖然也增大，但在煤柱中仍有一部分彈性核。

圖7 不同煤柱寬度下煤柱塑性區(qū)分布圖

2) 垂直應(yīng)力分布特征。

二次采動(dòng)下，不同寬度煤柱垂直應(yīng)力曲線圖見(jiàn)圖8. 由圖8可知，受二次采動(dòng)影響煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力有所升高，但隨著煤柱寬度的增加，煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力在減小。6 m煤柱時(shí)最高，煤柱內(nèi)的峰值應(yīng)力為15.59 MPa；12 m煤柱時(shí)最小，峰值應(yīng)力為13.6 MPa. 說(shuō)明6 m以上煤柱仍具有承載能力，6 m、8 m煤柱為塑性承載煤柱，12 m煤柱為彈性承載煤柱。

圖8 二次采動(dòng)影響下不同煤柱寬度煤柱垂直應(yīng)力曲線圖

綜上分析，雙巷掘進(jìn)區(qū)段煤柱在全動(dòng)壓過(guò)程中，塑性變形逐漸增加，內(nèi)部垂直應(yīng)力逐漸升高。確定煤柱寬度時(shí)必須保證二次回采后依然保持穩(wěn)定，針對(duì)3106和3107工作面的地質(zhì)條件，確定合理的煤柱寬度應(yīng)大于6 m，確保二次回采時(shí)屬于塑性承載或者彈性承載，配合合理的支護(hù)技術(shù)，確保安全生產(chǎn)。

3 結(jié) 論

1) 雙巷掘進(jìn)期間，4 m煤柱進(jìn)入塑性區(qū)成為塑性承載煤柱，6 m、8 m、12 m煤柱有2/3以上的彈性核，為彈性承載煤柱。

2) 一次回采影響后，4 m煤柱成為屈服煤柱喪失承載能力，6 m、8 m煤柱成為塑性承載煤柱；12 m煤柱在回采期間有1/3彈性區(qū)為彈性承載煤柱。二次回采影響后，6 m、8 m煤柱仍為塑性承載煤柱，12 m煤柱仍為彈性承載煤柱。

3) 確定了3106回風(fēng)巷和3107進(jìn)風(fēng)巷合理的煤柱寬度應(yīng)大于6 m，保證煤柱二次采動(dòng)影響后仍然具有承載能力，確保巷道穩(wěn)定。